嵌入式非易失性存儲器在SoC物理設計中的應用

摘要：嵌入式非易失性存儲器以其同時具備數據可更改性及掉電保存性而已被越來越廣泛的應用于SoC物理設計。文中結合一款電力網控制芯片R36的實際設計案例，分析了該器件的應用特點，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用方法。
關鍵詞：非易失性存儲器；電可擦除只讀存儲器；閃存；片上系統

0 引言
非易失性存儲器是指在系統關閉或無電源供應時仍能保持數據信息的存儲器，常見的有EPROM、EEPROM、Flash-EEPROM等。由于其同時具備數據更改性及數據保存性，NVM在系統設計中被大量應用于數據及程序的存儲，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，如固態硬盤(SSD)。傳統的系統解決方案采用外掛片外NVM芯片，這種方法會使系統復雜度提高。而隨著嵌入式NVM技術的發展，將NVM與系統其它電路集成在同一塊芯片中，已成為SoC系統設計的新趨勢。相對于傳統的片外NVM方案，嵌入式NVM具有更高的數據交換速度和更高的可靠性。然而，在SoC芯片的物理設計中，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，本文以一款電力網控制芯片R36的物理設計為例，討論了嵌入式NVM在實際應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的存儲單元結構，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，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NVM容量較小(32 Mbits)時，為了節約產品開發時間，通常把NVM做成可復用的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，故可實現單元獨立擦操作；而flash存儲單元沒有獨立的門控開關，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，同時，使用壽命較flash有很大的優勢。常見的flash也因其架構不同，可分為NORflash和NANDflash兩類，NAND flash架構更為緊湊，成本／容量比更優，但目前嵌入式技術相對沒有NOR成熟。