SiP vs. eNVM。哪一个最适合我的MCU？

By:张亚峰

蓬勃发展的汽车和物联网市场正在推动对微控制器（MCU）的需求增加。最近的预测预计，在未来五年内，整个MCU的复合年增长率（CAGR）将达到4%，特别是汽车MCU的CAGR可以达到接近14%。

非易失性存储器（NVM）是MCU的一个关键要素，因为它不仅需要存储代码，而且还需要在整个产品生命周期内存储操作数据。

两个NVM解决方案

有两种常用的NVM解决方案来构建MCU。直接嵌入系统芯片（SoC）中的NVM，或作为系统级封装（SiP）解决方案与逻辑芯片组装在一起的单独的外部NVM芯片。带有嵌入式NVM（eNVM）的MCU是在包括eNVM的特殊逻辑工艺中制造的，MCU运行所需的一切都在该单一芯片中产生。对于使用SiP解决方案的MCU，NOR闪存芯片和逻辑芯片被封装在一起。因此，代码和数据被储存在独立的NOR Flash芯片上的逻辑芯片之外。

顶级MCU供应商主要在其产品中使用eNVM解决方案，但SiP解决方案对小公司来说可能是一个有吸引力的选择。这些公司可能会实现更短的上市时间，部分原因是使用一个标准的、现成的逻辑流程可以简化和缩短设计周期。然而，SiP解决方案可能无法满足许多物联网和汽车应用的所有要求。考虑到高增长MCU应用的成本、功率、速度、安全性、稳定性和可靠性要求，使用eNVM往往是优越的解决方案。

选择最佳解决方案

要为一个应用选择最佳的解决方案，请考虑根据关键的终端市场要求，即功耗、上电时间、速度、安全性、可靠性和成本，对这两种解决方案进行以下比较。

• 功耗：eNVM的主动功耗比SiP低30%以上，因为SiP闪存需要不断地进行IO切换。因此，GF推荐eNVM用于需要低功率的电池供电的物联网应用。GF和eVaderis正在共同开发一款使用22FDX和eMRAM的低功耗MCU。
• 上电时间：与SiP相比，eNVM的上电和访问第一个数据的时间要快20倍（5µs对100µs），因为eNVM是XIP，而使用SiP闪存，系统需要将数据复制到片上SRAM。因此，对于需要非常快的上电和读取时间的常关应用，GF推荐嵌入式eNVM。
• 速度：eNVM的读取速度比SiP快2倍（400MB/秒对200MB/秒），因为eNVM的宏具有x32到x128位的IO总线宽度，而SiP使用x4或x8位。因此，GF推荐eNVM用于高速/高带宽应用。
• 安全性：eNVM比SiP提供更高的安全性，因为eNVM的宏可以被定制，SoC可以使用IP，如PUF来增强安全性。相比之下，SiP闪存是市场上的标准产品，无法增加额外的安全性。因此，GF推荐eNVM用于高安全性的应用。
• 可靠性：eNVM提供了更高的可靠性，因为它作为一个单一的SoC获得了所需的可靠性水平，而SiP闪存只能通过对已知好的芯片（KGD）和封装增加严格的测试筛选来实现高可靠性。用于GP-MCU应用的2x纳米模式的CMOS嵌入式STT-RAM阵列
• 成本。要比较两种解决方案的成本，必须考虑到几个因素。
  • NVM内存密度和全芯片尺寸，这决定了有无eNVM的每片毛利。
  • 晶圆价格，带或不带eNVM
  • SiP解决方案的额外片上SRAM密度，用于在上电期间从外部Flash下载代码
  • SiP解决方案的Flash KGD价格
  • 晶片测试成本，有无eNVM均可
  • 其他因素，如晶圆产量，有无eNVM，SiP解决方案FT产量损失，管理成本等

比较成本

下面的成本比较包括六种典型的NVM存储器密度（2Mb、4Mb、8Mb、16Mb、32Mb、128Mb），分别在GF的40nm LPx平台和22FDX®（22nm FD-SOI）平台上实现，并配有eMRAM。

因为每个公司都有不同的SiP解决方案的上电方法，各种片上SRAM的密度被用来 "影射 "外部闪存。下面的结果是假设SiP的理想情况，即SiP解决方案和eNVM解决方案利用相同的SRAM大小。请注意，大多数常见的SiP解决方案增加了SRAM的大小，以便从外部闪存中获得代码阴影。

上图显示，当NVM密度小于16Mb时，采用eNVM（eFlash）的40纳米平台的成本较低，而当NVM密度等于或高于16Mb时，SiP解决方案的成本较低。

对于利用22纳米FDX平台的设计，当NVM密度小于32Mb时，eNVM解决方案（eMRAM）的成本较低，而当NVM密度等于或高于32Mb时，SiP解决方案的成本较低。

对比这两个平台，22FDX eNVM解决方案（eMRAM）在所有NVM密度下的成本都比40纳米SiP解决方案低。此外，对于22纳米平台，在更高的密度（32Mb以上）下，eMRAM的额外成本为4%或更少，同时在功率、速度、安全性和可靠性方面也优于SiP解决方案。

对于更大的SRAM密度，eNVM解决方案的优势甚至更大。

那么，哪种解决方案对我的MCU来说是最好的？

总之，eNVM和SiP解决方案都是结合逻辑和NVM的可行方法。然而，基于卓越的功率、速度、安全性和可靠性，eNVM通常是MCU的更好选择。在成本方面，eNVM通常比SiP的成本低，特别是在32Mb NVM密度以下。在MCU制造商考虑其产品的所有权衡因素时，GF随时准备协助客户选择适当的解决方案，以在其市场中获胜。

在最近的一个技术讲座视频中，GF谈到了嵌入式非易失性存储器与封装系统的利弊。

GF采用从130纳米到22纳米的领先和主流技术平台，提供广泛的eNVM和SiP解决方案，以满足新兴市场的不同需求。单元核心eMRAM系列的低功耗是MCU和IoT市场的理想选择，超快的访问速度和高存储容量使其成为计算和存储市场的完美伴侣。eFlash解决方案（加上射频和模拟模块以及各种IP）针对特定应用进行了优化，如可穿戴设备、IoT、汽车、工业和消费电子。 GF SiP解决方案以成熟的技术提供快速的上市时间。

请联系GF，为您的特定MCU架构提供SiP与eNVM的精确比较。