嵌入式非易失性存儲器在SoC物理設(shè)計中的應(yīng)用

摘要：嵌入式非易失性存儲器以其同時具備數(shù)據(jù)可更改性及掉電保存性而已被越來越廣泛的應(yīng)用于SoC物理設(shè)計。文中結(jié)合一款電力網(wǎng)控制芯片R36的實際設(shè)計案例，分析了該器件的應(yīng)用特點，并從用途、性能、容量選擇等方面說明了通過非易失性存儲器對降低芯片成本、提高速度及可靠性應(yīng)用方法。
關(guān)鍵詞：非易失性存儲器；電可擦除只讀存儲器；閃存；片上系統(tǒng)

0 引言
    非易失性存儲器是指在系統(tǒng)關(guān)閉或無電源供應(yīng)時仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的存儲器，常見的有EPROM、EEPROM、Flash-EEPROM等。由于其同時具備數(shù)據(jù)更改性及數(shù)據(jù)保存性，NVM在系統(tǒng)設(shè)計中被大量應(yīng)用于數(shù)據(jù)及程序的存儲，并逐步替代部分有斷電保存需要的RAM，甚至取代部分硬盤功能，如固態(tài)硬盤(SSD)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)解決方案采用外掛片外NVM芯片，這種方法會使系統(tǒng)復(fù)雜度提高。而隨著嵌入式NVM技術(shù)的發(fā)展，將NVM與系統(tǒng)其它電路集成在同一塊芯片中，已成為SoC系統(tǒng)設(shè)計的新趨勢。相對于傳統(tǒng)的片外NVM方案，嵌入式NVM具有更高的數(shù)據(jù)交換速度和更高的可靠性。然而，在SoC芯片的物理設(shè)計中，嵌入式NVM也面臨工藝兼容、功耗及成本控制等新的問題。為此，本文以一款電力網(wǎng)控制芯片R36的物理設(shè)計為例，討論了嵌入式NVM在實際應(yīng)用中需要注意的問題，并給出了解決方案。

1 嵌入式NVM簡介
1．1 嵌入式NVM的工作原理
    大部分NVM的工作原理都是以基本的EEPROM為存儲單元。與普通MOS管相比，EEPROM存儲單元多了一層多晶硅浮柵，圖1所示是EEPROM的存儲單元結(jié)構(gòu)，該存儲單元的基本操作為擦1、寫0及讀取。擦1時，Vcg為12 V，Vd為6 V，漏柵之間的電場使漏端電子穿越氧化層勢壘而到達浮柵并存儲，該過程稱為熱電子注入，這樣，即使Vcg高壓除去后，浮柵上的電荷也能保存很長時間；寫0時，Vcg為-12 V，Vd為6 V，漏柵之間的電場給浮柵上的電子提供釋放到P-sub的通路，稱為FN隧道效應(yīng)，此后，浮柵電荷被釋放。

    嵌入式NVM首先要解決的問題就是與芯片其它電路工藝(logic)的兼容。依據(jù)芯片中NVM所占面積的比重，嵌入式NVM通常有兩種兼容方案。一是當(dāng)NVM比重大于其它邏輯時，把logic工藝映射成NVM工藝，這是最方便的做法；二是當(dāng)NVM容量較小(<32 Mbits)時，為了節(jié)約產(chǎn)品開發(fā)時間，通常把NVM做成可復(fù)用的IP，然后映射成logic工藝。
1．2 常見的嵌入式NVM
    目前常見的嵌入式NVM有EEPROM和flashEEPROM(簡稱flash)兩大類，EEPROM每個存儲單元都配有一個門控開關(guān)，故可實現(xiàn)單元獨立擦操作；而flash存儲單元沒有獨立的門控開關(guān)，通常以page為單位進行擦操作，因此，相同容量的EEPROM面積會大于flash，但單個單元擦寫時間則小于flash，且擦寫時不影響其他單元的狀態(tài)，同時，使用壽命較flash有很大的優(yōu)勢。常見的flash也因其架構(gòu)不同，可分為NORflash和NANDflash兩類，NAND flash架構(gòu)更為緊湊，成本／容量比更優(yōu)，但目前嵌入式技術(shù)相對沒有NOR成熟。[!--empirenews.page--]
1．3 嵌入式NVM的選擇
    選擇嵌入式NVM是一個綜合衡量成本、功耗及性能的過程。因為嵌入式NVM通常會增加工藝步驟，使芯片制造的一次性成本和持續(xù)性成本都增加，同時，NVM的測試時間遠大于芯片中的普通SRAM和ROM，因而增加了芯片的測試費用。因此，在選擇NVM時，要從系統(tǒng)角度考慮以下幾方面因素：
    (1) NVM的用途。程序存儲通常選用EEPROM或NOR flash，數(shù)據(jù)存儲通常選用NANDflash；
    (2) NVM容量。容量和面積、成本息息相關(guān)，小容量的NVM可以采用單位面積大但工藝更簡單的特殊單層多晶工藝，而大容量的NVM則應(yīng)采用面積緊湊的通用雙層多晶工藝；
    (3) NVM性能。通常需要考慮NVM的擦寫時間、工作溫度等參數(shù)；
    (4)NVM的可靠性?？煽啃灾饕袃蓚€指標(biāo)，即數(shù)據(jù)保存時間和數(shù)據(jù)擦寫次數(shù)，若要較高的擦寫次數(shù)，則EEPROM要優(yōu)于flash。

2 嵌入式EEPROM
2．1 R36電力網(wǎng)遠程抄表芯片簡介
    R36電力網(wǎng)遠程抄表芯片是集成了模擬接口、m8051處理器、SRAM、ROM及EEPROM的SoC，其前身為外掛片外flash芯片的R35芯片，R36采用多晶片封裝(Multi Chip Package，MCP)，這種封裝方案增加了芯片的制造成本，同時增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且也降低系統(tǒng)的可靠性。而采用嵌入式EEPROM設(shè)計的R36將所有器件集成在一片芯片中，則使用普通封裝即可，因而避免了上述問題。
    R36采用SMIC 0．18μm EEPROM工藝，主要用來存儲程序，故可依據(jù)需要選擇SMIC 32KB及1KB的EEPROM IP各一個。該芯片已于2010年3月成功流片。
2．2 工藝映射
    與普通logic工藝相比，SMIC EEPROM工藝需要多加9層掩膜和10次光刻，主要增加POLYl和ONO層，且其POLY2層與logic的POLY層在同一平面上，因此，在物理版圖設(shè)計過程中，需要將EEPROM的POLY2層映射為POLY層，設(shè)計時可用通用的logic流程進行布局布線，并在生成最終GDSⅡ時，再將POLY層映射回POLY2，這樣即可按EEPROM工藝流片。
2．3 布局布線
    在芯片的布局階段，需要仔細考慮EEPROM芯片的擺放位置。除了遵循一般嵌入式存儲器擺放規(guī)則(盡量遠離模擬模塊)外，還需注意將EEPROM與其他電路之間留出足夠隔離的空間(>5um)，以防止噪聲干擾；同時，所有EEPROM的擺放方向必須一致。在布線階段，要給EEPROM提供充足的工作電源及穩(wěn)定的參考電壓，并禁止在EEPROM上層繞線以防噪聲。圖2所示是最終的芯片版圖。

3 結(jié)束語
    嵌入式NVM以其數(shù)據(jù)可更改、掉電可保持、工藝可兼容等特點，已被越來越廣泛地用于SoC物理設(shè)計中。相對于片外NVM方案，采用嵌入式NVM可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及速度。然而，在設(shè)計過程中，都需要注意從用途、性能、容量及可靠性角度選擇合適的嵌入式NVM解決方案，這樣才能最終達到提高芯片性能、降低芯片成本的目的。本文給出了一個采用嵌入式EEPROM的電力網(wǎng)控制芯片R36的設(shè)計實例，同時分析了物理設(shè)計過程中需要注意的問題。結(jié)果證明，最終流片的芯片R36較采用片外flash的R35來說，成本降低不少，達到了設(shè)計目標(biāo)。隨著嵌入式NVM技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，這款芯片也將采用更先進的NVM，并不斷改進升級，以進一步提高性能、降低成本。