瑞薩電子推出40納米工藝MCU

如今，嵌入式系統(tǒng)在汽車電子系統(tǒng)中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，其結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，而消費(fèi)者對(duì)于電子系統(tǒng)的性能要求也在日益增長(zhǎng)，車主們希望其有更快的反饋速率，更簡(jiǎn)便的操控，以及更強(qiáng)的穩(wěn)定性。為了適應(yīng)需求，瑞薩電子推出一款能夠滿足大規(guī)模電路并容納大量?jī)?nèi)置程序的微控制器。

快速存取 高耐溫性

高性能微控制器必須要擁有大容量的內(nèi)部閃存以存儲(chǔ)復(fù)雜的控制算法和應(yīng)用代碼。瑞薩電子的新款微控制器產(chǎn)品主要將對(duì)芯片的片上閃存進(jìn)行擴(kuò)展。

一塊高性能微控制芯片不僅要擁有大容量的片上閃存，還需要高速的讀存取速率，這樣CPU才能快速的獲取存儲(chǔ)的數(shù)字信息，并最大限度地提高程序的執(zhí)行效率。若閃存讀取速度緩慢，那么整個(gè)邏輯電路就會(huì)發(fā)生木桶短板效應(yīng)，發(fā)揮不了系統(tǒng)最大的性能。CPU的時(shí)鐘周期如果被浪費(fèi)用來(lái)等待閃存讀取，那么整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行效率顯然會(huì)降低。改進(jìn)應(yīng)用程序性能和簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于獲得最快的閃存讀存取速度至關(guān)重要。

下圖為瑞薩電子MCU發(fā)展時(shí)間-閃存讀取速度圖：可以看到，到2010年，瑞薩MCU芯片大小為40納米，響應(yīng)頻率大大超過(guò)100MHz（紅色虛線）。而傳統(tǒng)MCU芯片供應(yīng)商（藍(lán)色實(shí)線）產(chǎn)品的閃存讀取頻率仍低于40MHz，很大程度上限制了芯片的性能發(fā)揮。

圖1：MCU和內(nèi)置閃存的工作頻率變化歷史

高可靠、低消耗

新型微控制器芯片內(nèi)部閃存記憶模塊采用瑞薩自主研發(fā)MONOS（金屬氧化氮氧化硅）電池單元技術(shù)。閃存單元以硅作為基座，每個(gè)晶體管上覆蓋3層物質(zhì)，分別為：氧化物-氮化物-氧化物，頂部帶有金屬控制柵極。通過(guò)改變晶體管的閥值電壓進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，晶體管的導(dǎo)電特性就是正向電壓導(dǎo)電,負(fù)向電壓電阻很大,導(dǎo)電記為1，斷路為0，而導(dǎo)電與斷路的信息由氮化物層捕獲。

傳統(tǒng)的MCU芯片中采用浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)，見圖2。

圖2：MONOS技術(shù)與浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)對(duì)比

瑞薩電子的MONOS技術(shù)與浮動(dòng)?xùn)偶夹g(shù)相比，具備更優(yōu)異的可擴(kuò)展性。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)柵氧化層產(chǎn)生漏泄時(shí)，幾乎所有存儲(chǔ)在浮柵上的電荷都穿到硅主板上。而對(duì)于MONOS技術(shù)，只有靠近漏泄處的一部分電荷穿過(guò)，極大部分的電荷都能被保住。據(jù)此，MONOS技術(shù)不僅提高了數(shù)據(jù)的可靠性，縮小存儲(chǔ)單元縱向與橫向的尺寸也變得更為方便，可以說(shuō)這是適用于需要滿足高集成、高可靠性要求的車載高端MCU應(yīng)用的技術(shù)。

這項(xiàng)MONOS閃存技術(shù)非常適合用于汽車和其它需要高度集成化和高可靠性的應(yīng)用中，這款產(chǎn)品已經(jīng)經(jīng)過(guò)了數(shù)百萬(wàn)小時(shí)的試驗(yàn)，目前尚未出現(xiàn)差錯(cuò)。

圖3：分裂柵結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)單元

對(duì)于瑞薩電子來(lái)說(shuō)，MONOS技術(shù)本身作為智能卡（IC卡）用存儲(chǔ)器已有超過(guò)20年以上的生產(chǎn)實(shí)績(jī)。以此為基礎(chǔ)，瑞薩電子針對(duì)內(nèi)置閃存MCU對(duì)MONOS技術(shù)進(jìn)行改良和開發(fā)，將其集成于MCU上。這就是被稱為“分裂柵”，具有柵結(jié)構(gòu)的MONOS技術(shù)。所謂分裂柵，就是指柵極分為兩個(gè)（柵極分離），閃存中的分裂柵結(jié)構(gòu)就是指一個(gè)柵為存儲(chǔ)單元選擇用柵、另外一個(gè)柵用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

在分裂柵結(jié)構(gòu)中，選擇用柵會(huì)被設(shè)定為“正常關(guān)閉”狀態(tài)，存儲(chǔ)用柵會(huì)被設(shè)定為“正常開啟”狀態(tài)。正常關(guān)閉狀態(tài)是指柵處于OV時(shí)為關(guān)閉狀態(tài)，正常開啟狀態(tài)是指柵處于0V時(shí)為開啟狀態(tài)。分裂柵結(jié)構(gòu)中選擇用柵的通道長(zhǎng)度較短，而且使用與邏輯同樣薄的柵氧化層，因此與原來(lái)的柵結(jié)構(gòu)相比，實(shí)現(xiàn)了高速、低功耗工作的閃存單元。