SiP 和 eNVM解決方案對(duì)比分析

汽車電子和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，推動(dòng)著市場(chǎng)對(duì)于MCU需求的增長。最新的預(yù)測(cè)表明，MCU在未來五年的年復(fù)合增長率會(huì)達(dá)到4%， 而汽車MCU的增長率會(huì)高達(dá)14%。

非揮發(fā)性存儲(chǔ)器(NVM)是MCU芯片必不可少的組成部分，它不僅需要用來存儲(chǔ)代碼，而且需要用來存儲(chǔ)使用過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

兩種方案

業(yè)界通常有兩種MCU存儲(chǔ)模塊的解決方案：嵌入式存儲(chǔ)器(eNVM)和系統(tǒng)級(jí)封裝 (片外存儲(chǔ)器–SIP)。eNVM工藝是在邏輯工藝平臺(tái)的基礎(chǔ)上開發(fā)的特殊工藝，通過這種工藝生產(chǎn)出帶有非揮發(fā)存儲(chǔ)器模塊的的芯片。對(duì)于不同的eNVM工藝，需要增加不同層數(shù)的光罩，因此它的工藝成本相比于邏輯工藝有一定的增加。對(duì)于SIP解決方案，是通過封裝的方法，把一顆NOR閃存芯片和邏輯芯片封裝在一起，代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在獨(dú)立的、外掛的NOR閃存芯片上。

目前，世界領(lǐng)先的MCU廠商主要使用eNVM方案，但SIP方案對(duì)于新進(jìn)入的公司很有吸引力，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)周期短，從而使廠商降低設(shè)計(jì)成本，加快上市速度。然而，SIP解決方案無法滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景的所有要求，綜合考慮到成本、功耗、速度、安全性、穩(wěn)定性和可靠性要求，很多應(yīng)用場(chǎng)景下，使用eNVM是更好的解決方案。

綜合評(píng)估

為了幫助MCU廠商選擇最優(yōu)的解決方案，我們從功耗、啟動(dòng)時(shí)間、速度、安全性、可靠性和成本等方面，結(jié)合客戶目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，比較一下兩種方案。

• 功耗：eNVM的功耗會(huì)比SIP低30%以上，因?yàn)镾IP采用外掛的Flash芯片，在讀寫操作的時(shí)候，需要驅(qū)動(dòng)IO，造成功耗的增加。因此，對(duì)于用于電池供電的低功耗應(yīng)用，格芯推薦使用eNVM。

格芯以eVaderis超低耗電MCU參考設(shè)計(jì)強(qiáng)化22FDX® eMRAM平臺(tái)

• 啟動(dòng)時(shí)間：eNVM的啟動(dòng)速度比SIP快20倍以上(Datasheet spec: 5us vs >100us)。而且，因?yàn)閑NVM是XIP(eXecute In Place)，主芯片可以直接從NVM模塊讀數(shù)據(jù)進(jìn)行啟動(dòng)，而SIP Flash，系統(tǒng)通常需要將數(shù)據(jù)從外部存儲(chǔ)器下載到片上SRAM，需要更長的時(shí)間。因此，對(duì)于需要快速啟動(dòng)的常閉應(yīng)用，格芯推薦eNVM。

• 速度：eNVM比SIP提供2X以上的更快的讀取速度(10ns, x32的eFlash是400MB/s vs 最高端的SPI NOR， 400MHz, 8bit位寬速度是200 MB/s)。更進(jìn)一步，eNVM模塊的位寬可以很容易的擴(kuò)展到X64，X128，甚至X256，所以，eNVM的速度更具優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)于需要高速/高帶寬的應(yīng)用，格芯推薦使用eNVM。

• 安全性：eNVM比SIP提供更高的安全性，因?yàn)閑NVM模塊可以被定制，同時(shí)，工藝可以使用諸如PUF之類的IP來增強(qiáng)安全性。相反，SIP Flash是市場(chǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，很難增加額外的安全性設(shè)計(jì)。因此，對(duì)于需要高安全性的應(yīng)用，格芯推薦eNVM。

• 可靠性：eNVM提供了更高的可靠性。在嵌入式工藝開發(fā)的時(shí)候，eNVM和邏輯工藝作為一個(gè)整體，可以直接達(dá)到車規(guī)1級(jí)或者0級(jí)，因此對(duì)于嚴(yán)格可靠性要求的應(yīng)用，格芯推薦eNVM。

• 成本：成本是最難比較的部分，牽涉范圍廣，通常需要考慮以下一些因素：
+ NVM的存儲(chǔ)大小和整個(gè)芯片尺寸，它決定了每片晶圓上面的芯片顆粒的數(shù)量。
+ 邏輯工藝和eNVM工藝的晶圓價(jià)格。
+ SIP方案中，片上SRAM的容量，用于在系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，從外部存儲(chǔ)中下載代碼。
+ SIP方案的閃存KGD價(jià)格
+ 晶圓測(cè)試成本
+ 其他因素如晶圓良率(邏輯工藝和嵌入式工藝)，封裝的良率損失，管理成本等

成本比較

我們選取了六個(gè)典型的NVM存儲(chǔ)容量(2MB，4MB，8MB，16MB，32 MB，128MB)，在格芯的40nm LP邏輯工藝和嵌入式工藝，22FDX®（22nm FD-SOI）邏輯工藝和嵌入式工藝，一共4種工藝平臺(tái)上，進(jìn)行成本的比較。

同時(shí)，對(duì)于SIP方案，因?yàn)槊總€(gè)產(chǎn)品都有不同啟動(dòng)方法，會(huì)用到不同的片上SRAM容量來“映射”外部閃存。下面的比較選擇了最理想的情況：SIP解決方案和eNVM解決方案利用完全相同的SRAM容量。實(shí)際情況是，大多數(shù)常見的SIP解決方案會(huì)采用更大的SRAM容量。



從上圖可以看到，對(duì)于采用40nm平臺(tái)的產(chǎn)品，當(dāng)NVM容量小于16Mb時(shí)，選擇eNVM(eFlash)的方案，成本較低，而當(dāng)NVM容量等于或高于16Mb時(shí)，SIP解決方案成本較低。

對(duì)于采用22nm FDX技術(shù)的產(chǎn)品，當(dāng)NVM容量小于32 Mb時(shí)，eNVM(eMRAM)解決方案的成本較低，而當(dāng)NVM容量等于或高于32 Mb時(shí)，SIP解決方案成本較低。

比較這兩個(gè)平臺(tái)，22FDX eNVM解決方案在所有NVM容量條件下的成本都比40nm SIP方案更低。與此同時(shí)在功率、速度、安全性和可靠性方面均優(yōu)于SIP解決方案。

更重要的一點(diǎn)，當(dāng)SIP選用更大的SRAM容量時(shí)，eNVM解決方案的優(yōu)勢(shì)更加明顯。

最優(yōu)選擇

總之，eNVM和SIP解決方案都是設(shè)計(jì)制造MCU的可行方法。然而，基于優(yōu)越的功耗、速度、安全性和可靠性，eNVM往往是MCU的更好選擇。在成本方面，對(duì)于小容量，eNVM通常比SIP更低。MCU廠商通常需要權(quán)衡各種方案的利弊，來贏得市場(chǎng)。而格芯提供了多種解決方案，來協(xié)助我們的客戶取得成功。格芯的eNVM技術(shù)，使用從主流的130nm平臺(tái)到領(lǐng)先的22nm FDX平臺(tái)，以滿足新興市場(chǎng)的多樣化需求。低功耗的FDX平臺(tái)加上低功耗的eMRAM的解決方案，是IoT應(yīng)用的最優(yōu)選擇，而eMRAM超快的存儲(chǔ)速度和高容量，使它同樣適用于計(jì)算和存儲(chǔ)市場(chǎng)。結(jié)合了RF和優(yōu)越性能的LP + eFlash方案, 特別適用于汽車，工業(yè)，和消費(fèi)類MCU市場(chǎng)。而格芯的成熟的SIP解決方案可以幫助客戶加快產(chǎn)品面世的進(jìn)程。