SiP vs. eNVM: Was ist das Beste für meine MCU?

von: Yafeng Zhang

Der boomende Automobil- und IoT-Markt führt zu einer steigenden Nachfrage nach Mikrocontrollern (MCU). Jüngste Prognosen gehen davon aus, dass die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) für MCUs insgesamt in den nächsten fünf Jahren 4 % erreichen wird, und insbesondere die CAGR für MCUs im Automobilbereich könnte fast 14 % erreichen.

Der nichtflüchtige Speicher (NVM) ist ein entscheidendes Element von MCUs, da er nicht nur für die Speicherung des Codes, sondern auch für die Speicherung der Betriebsdaten während der gesamten Lebensdauer des Produkts benötigt wird.

Zwei NVM-Lösungen

Es gibt zwei gängige NVM-Lösungen für den Bau von MCUs: NVM, das direkt in den System-on-Chip (SoC) eingebettet ist, oder ein separater, externer NVM-Chip, der zusammen mit einem Logikchip als System-in-Package-Lösung (SiP) montiert wird. MCUs mit eingebettetem NVM (eNVM) werden in einem speziellen Logikprozess hergestellt, der das eNVM einschließt, und alles, was für den Betrieb der MCU erforderlich ist, wird auf diesem einzigen Chip erstellt. Bei MCUs, die eine SiP-Lösung verwenden, werden ein NOR-Flash-Chip und ein Logikchip zusammen verpackt. Code und Daten werden daher außerhalb des Logikchips auf einem eigenständigen NOR-Flash-Chip gespeichert.

Die führenden MCU-Anbieter verwenden in ihren Produkten hauptsächlich eine eNVM-Lösung, aber für kleinere Unternehmen kann eine SiP-Lösung eine attraktive Option sein. Diese Unternehmen können eine kürzere Markteinführungszeit realisieren, unter anderem weil die Verwendung eines standardisierten, sofort verfügbaren Logikprozesses den Designzyklus vereinfachen und verkürzen kann. Allerdings kann eine SiP-Lösung nicht alle Anforderungen vieler IoT- und Automobilanwendungen erfüllen. Die Verwendung von eNVM ist angesichts der Anforderungen an Kosten, Stromverbrauch, Geschwindigkeit, Sicherheit, Stabilität und Zuverlässigkeit von MCU-Anwendungen mit hohem Wachstum oft die bessere Lösung.

Die Wahl der besten Lösung

Um die beste Lösung für eine Anwendung zu finden, sollten Sie diese beiden Lösungen anhand der wichtigsten Anforderungen des Endmarktes in Bezug auf Stromverbrauch, Einschaltzeit, Geschwindigkeit, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Kosten vergleichen:

• Stromverbrauch: eNVM bietet einen um mehr als 30 % niedrigeren aktiven Stromverbrauch als SiP, da SiP-Flash einen konstanten IO-Toggle erfordert. Daher empfiehlt GF eNVM für batteriebetriebene IoT-Anwendungen, die einen geringen Stromverbrauch erfordern. GF und eVaderis entwickeln gemeinsam eine stromsparende MCU mit 22FDX und eMRAM
• Einschaltzeit: eNVM bietet eine 20-mal kürzere Zeit für das Einschalten und den Zugriff auf die ersten Daten als SiP (5µs vs. 100µs), da eNVM XIP ist, während bei SiP-Flash das System die Daten in das On-Chip-SRAM kopieren muss. Daher empfiehlt GF für Normal-Off-Anwendungen, die sehr schnelle Einschalt- und Lesezeiten erfordern, Embedded eNVM.
• Geschwindigkeit: eNVM bietet eine doppelt so hohe Lesegeschwindigkeit wie SiP (400MB/Sek. vs. 200MB/Sek.), da die eNVM-Makros eine IO-Bus-Breite von 32 bis 128 Bit haben, während SiP nur 4 oder 8 Bit verwendet. GF empfiehlt daher eNVM für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Bandbreite.
• Sicherheit: eNVM bietet eine höhere Sicherheit als SiP, da das eNVM-Makro angepasst werden kann und das SoC IP wie PUF verwenden kann, um die Sicherheit zu erhöhen. Im Gegensatz dazu ist SiP-Flash ein Standardangebot auf dem Markt, und zusätzliche Sicherheit kann nicht hinzugefügt werden. GF empfiehlt daher eNVM für Hochsicherheitsanwendungen.
• Zuverlässigkeit: eNVM bietet eine höhere Zuverlässigkeit, da es als einzelnes SoC durch das erforderliche Zuverlässigkeitsniveau qualifiziert ist, während SiP-Flash eine hohe Zuverlässigkeit nur durch ein strenges Test-Screening auf "known good die" (KGD) und das Gehäuse erreichen kann. CMOS-Embedded-STT-MRAM-Arrays in 2xnm-Modi für GP-MCU-Anwendungen
• Kosten: Um die Kosten der beiden Lösungen zu vergleichen, müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden:
  • NVM-Speicherdichte und volle Chipgröße, die den Brutto-Die-Per-Wafer mit oder ohne eNVM bestimmen
  • Waferpreis, mit oder ohne eNVM
  • Zusätzliche On-Chip-SRAM-Dichte für die SiP-Lösung, die zum Herunterladen des Codes von externem Flash beim Einschalten verwendet wird
  • Flash KGD-Preis für SiP-Lösung
  • Wafer-Testkosten, mit oder ohne eNVM
  • Zusätzliche Faktoren wie Wafer-Ausbeute, mit oder ohne eNVM, SiP-Lösung FT-Ausbeuteverlust, Verwaltungskosten

Vergleich der Kosten

Der folgende Kostenvergleich umfasst sechs typische NVM-Speicherdichten (2Mb, 4Mb, 8Mb, 16Mb, 32Mb, 128Mb), die sowohl auf der 40-nm-LPx-Plattform von GF mit eFlash als auch auf der 22FDX®-Plattform (22-nm-FD-SOI) mit eMRAM implementiert wurden.

Da jedes Unternehmen eine andere Einschaltmethodik für SiP-Lösungen hat, werden verschiedene On-Chip-SRAM-Dichten verwendet, um das externe Flash zu "beschatten". Die folgenden Ergebnisse gehen von einem Idealfall für SiP aus, bei dem eine SiP-Lösung und eine eNVM-Lösung eine identische SRAM-Größe verwenden. Beachten Sie, dass die meisten gängigen SiP-Lösungen die SRAM-Größe für das Code-Shadowing aus dem externen Flash erhöhen.

Die obige Grafik zeigt, dass die 40-nm-Plattform mit eNVM (eFlash) kostengünstiger ist, wenn die NVM-Dichte weniger als 16 MB beträgt, während die SiP-Lösung kostengünstiger ist, wenn die NVM-Dichte gleich oder höher als 16 MB ist.

Bei einem Design auf der 22-nm-FDX-Plattform ist die eNVM-Lösung (eMRAM) kostengünstiger, wenn die NVM-Dichte weniger als 32 MB beträgt, während die SiP-Lösung kostengünstiger ist, wenn die NVM-Dichte gleich oder höher als 32 MB ist.

Im Vergleich der beiden Plattformen weist die 22FDX eNVM-Lösung (eMRAM) bei allen NVM-Dichten geringere Kosten auf als die 40-nm-SiP-Lösung. Darüber hinaus liegen die zusätzlichen Kosten für eMRAM bei der 22-nm-Plattform bei höheren Speicherdichten (32 MB+) bei 4 % oder weniger, während sie gleichzeitig eine SiP-Lösung in Bezug auf Stromverbrauch, Geschwindigkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit übertreffen.

Bei noch größeren SRAM-Dichten sind die Vorteile einer eNVM-Lösung noch größer.

Welche Lösung ist also die beste für meine MCU?

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl eNVM- als auch SiP-Lösungen praktikable Methoden zur Kombination von Logik und NVM sind. Allerdings ist eNVM aufgrund der höheren Leistung, Geschwindigkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit oft die bessere Wahl für MCUs. In Bezug auf die Kosten ist eNVM oft günstiger als SiP, insbesondere unterhalb einer NVM-Dichte von 32 MB. Da MCU-Hersteller alle Kompromisse für ihre Produkte in Betracht ziehen, ist GF bereit, Kunden bei der Auswahl der geeigneten Lösung zu unterstützen, um in ihrem Markt zu gewinnen.

In einem aktuellen Tech Talk-Video spricht GF über die Vor- und Nachteile von eingebettetem nichtflüchtigem Speicher im Vergleich zu einem System im Gehäuse.

GF bietet eine breite Palette von eNVM- und SiP-Lösungen an, die führende und Mainstream-Technologieplattformen von 130nm bis 22nm nutzen, um die vielfältigen Anforderungen der aufstrebenden Märkte zu erfüllen. Der niedrige Stromverbrauch der eMRAM-Serie mit Zellkern ist ideal für den MCU- und IoT-Markt, die ultraschnellen Zugriffsgeschwindigkeiten und die hohe Speicherkapazität machen sie zur perfekten Ergänzung für den Computer- und Speichermarkt. eFlash-Lösungen (sowie RF- und Analog-Module und eine Vielzahl von IP) sind für spezifische Anwendungen wie Wearables, IoT, Automotive, Industrie- und Unterhaltungselektronik optimiert. Die SiP-Lösungen von GF bieten eine schnelle Markteinführung mit bewährter Technologie.

Bitte wenden Sie sich an GF, um einen genauen Vergleich zwischen SiP und eNVM für Ihre spezifische MCU-Architektur zu erhalten.