28nm FD-SOI teknolojisi kullanan otomotiv sınıfı mikro denetleyici yerleşik PCM makro hücresi
Otomotiv mikrodenetleyicileri, temel olarak üç açıdan yansıtılan gömülü geçici olmayan belleğin (e-NVM) sınırlarını zorluyor: bellek hücresi alanı, erişim süresi ve ısı direnci. Birçok pazar segmentinde (ağ geçitleri, gövde kontrolörleri ve akü yönetim üniteleri gibi), uygulama karmaşıklığı arttıkça, depolama ünitesi alanı belirleyici bir zorluk haline gelir; otomotiv güç aktarım sistemi (motor ve dişli kutusu) kontrolörleri ve güvenlik uygulamalarında (Fren sistemi) alanında, 165 ° C'lik maksimum çalışma sıcaklığı aralığını karşılamak önemlidir. Son olarak, optimize edilmiş erişim süresi, sistemin genel enerji verimliliğini sağlayabilir.
FEOL (ön işlem) e-NVM çözümü, sağlam ve güvenilir, yüksek verimli bir yonga üzerinde çok kısa bir rastgele erişim süresi (Ta) elde edebilir, ancak karmaşık veri yönetimi bu teknolojinin en büyük eksikliğidir. Bu çözüm, sektör silme ve yeniden yazma süreçleri gerektirir ve verilerin yeniden dağıtımı ve yeni kod yürütme işlemleri kaçınılmazdır. Araştırmacılar ayrıca birkaç BEOL (işlem sonrası) e-NVM çözümü önermişlerdir.Başlıca avantajları arasında veri silme işlemlerine gerek olmaması, verilerin bit-bit modifikasyonu için destek ve verilerin yeniden dağıtımı artık gerekli değildir. BEOL çerçevesinde, okuma akımı penceresinin iki parametresi ve RRAM çözümünün bellek hücre alanı daha rekabetçidir, ancak çalışma sıcaklığı aralığı daha dardır. MRAM belleğin Ta performansı çok rekabetçidir, ancak bellek hücre alanı daha geniştir ve çalışma sıcaklığı aralığı dardır.
Bu makale, 28nm FD-SOI CMOS teknolojisini kullanan yerleşik bir faz değişim belleği (PCM) önermektedir Bu BEOL e-NVM çözümü, bellek hücre alanı, erişim süresi ve sıcaklık aralığı arasında bildiğimiz en iyi dengeyi sağlar. nokta. Bu makale, tüm otomotiv endüstrisi standartlarının katı gereksinimlerini karşılayabilen sağlam ve güvenilir bir yerleşik bellek çözümü olan 6MB PCM'yi entegre eden bir otomotiv sınıfı 0 mikro denetleyici çipini tanıtmaktadır. PCM'de kullanılan GexSbyTez malzemesi, otomotiv endüstrisi teknik standartlarının (150 ° C çalışma sıcaklığı, 10 yıllık veri saklama süresi) gereksinimlerini karşılayacak şekilde optimize edilmiştir. Entegre depolama öğeleriyle ilgili birkaç işlem olduğundan, 28nm, FD-SOI CMOS teknoloji platformunda PCM'nin avantajlarına tam anlamıyla yer veren en iyi düğüm olarak kabul edilir. Otomotiv ortamını desteklemek için gereken 5V arabirimi ek işlemler gerektirir. FD-SOI teknolojisi, çözümün statik kaçak akımı bastırmasına izin verir. FD-SOI cihazının vücut ön gerilim aralığı daha geniştir ve transistörün VT eşik voltajı yaklaşık 300 mV'ye ayarlanabilir, böylece bellek dizisindeki seçilmemiş bitlerin kaçak akımını önemli ölçüde azaltır.
Dahili belleği flash bellekten PCM'ye değiştirme sürecinde mikro denetleyicinin uygulama düzeyinde uyumluluğunu sağlamak için, faz değiştirme bellek yapısı, eşdeğer bir flash silme işlemi de dahil olmak üzere flash bellek ile aynı mantık mimarisini yansıtan komut kullanımına göre yapılandırılır ( Mimariye ihtiyaç yoktur), Şekil 1'de gösterildiği gibi. Bu 6 MB katıştırılmış kod belleği, üç adet 2 MB okuma-yazma eşitleme (RWW) bölümüne bölünmüştür. Çipte ayrıca 2 RWW bölümlü 256kB gömülü geçici olmayan veri belleği de görülmektedir. İki depolama dizisi TILE yapısını paylaşır.
Şekil 1: PCM mantık mimarisine Flash bellek. PCM IP (bu makale), mevcut (ticari) e-NVM flash bellek çözümünün işlevlerini simüle etmek ve yazılım uyumluluğu sağlamak için tasarlanmıştır.
Standart CMOS transistörler ve düşük voltaj kullanılabildiğinden, PCM etkinleştirme mimarisi çok kısa bir erişim süresi Ta elde eder. Mikroamper seviyesinde PCM bellek hücresi okuma sinyali güç tüketimi, yüksek hızlı satır kod çözücü, hızlı algılama amplifikatörü ve dizi sütun kaçak akım bastırma devresi ile birlikte, Ta erişim süresini 10 ns'nin altına düşürebilir. Seçici kapı, PCM hücresi üzerinde gerçekleştirilen işleme (okuma veya yazma) bağlı olarak farklı yollarla (kelime satırı sürücüsü tarafından sürülür) sürülebilir. Okurken, kelime satırı seçimi hızlı olmalıdır (nanosaniye seviyesi) ve yalnızca ince oksit transistörler bu hıza ulaşabilir: seçici sürücü voltajı 0,85V kadar düşüktür ve bu da düzeni daha kompakt hale getirebilir. Faz durumu dönüşümü nispeten yüksek bir voltaj gerektirir, bu nedenle satır kod çözücünün alanı optimize edilebilmesi için yazma yolunda kalın oksit MOS transistörlerinin kullanılması gerekir.
FD-SOI CMOS teknolojisi, ileri vücut önyargı aralığını genişlettiğinden, yüksek sıcaklık ortamında dizi kaçak akımını etkili bir şekilde yönetebilir. Daha geniş bir VT varyasyon aralığı sayesinde, negatif voltaj dinamik yönetim işlevi, seçicinin sürücü kapasitesi ve enerji verimliliği arasında bir denge sağlamasına olanak tanır, bit hattı kaçak akımını en aza indirir, okuma akımını etkilemez ve ayrıca okuma ve yazmayı dengeler verim. Regülatör geri besleme döngüsünün sıcaklık aralığı, daha yüksek sıcaklıklarda daha iyi kontrol etkileri elde etmek için birden fazla doğrusal olmayan alt aralığa sahiptir (Şekil 2).
Şekil 2: FDSOI seçici dizisiyle eşleştirilmiş satır kod çözücüyü okuyun ve yazın; sütun kaçak akım kontrol stratejisini, vücut önyargısının sıcaklık aralığının bir işlevi olacağı şekilde yönetin.Bu çözüm aynı zamanda, önemli güç tüketimi olan PCM'nin düşük voltajlı okuma işlevinden tam olarak yararlanır Geleneksel flash bellek çözümlerinden daha düşük. Flash bellek çözümünde, satır ve sütun okuma işlemleri için 4-5V'luk bir voltaj gereklidir.Bununla birlikte, bazı uygulamalarda bu voltaj mevcut değildir, bu nedenle okuma güç tüketimini 3-6 kat artıran ek bir şarj pompası gereklidir. PCM, ek bir şarj pompası bağlamadan okuma işlemini gerçekleştirmek için geleneksel voltaj önyargı yöntemini kullanabilir.
Şekil 3: Diferansiyel okuma amplifikatörü; PCM erişim zamanlama diyagramı, 2 bekleme durumu (WS)
Şekil 3, algılama amplifikatörünü (SA) göstermektedir. Bit hattı okuma voltajı NMOS kaskod transistörü tarafından kontrol edilir: bellek hücresi akımı ve referans akımı kaskoddan okur ve son olarak karşılaştırma ağına (refcp1 ve refcp2) enjekte edilir. Kaskod yapısı, karşılaştırma ağının hızlı bir şekilde boşaltılmasını destekler. Ön şarj aşaması sona erdikten sonra, bu karşılaştırma ağları serbest bırakılır ve ağın dinamik voltaj gelişimi, güç kaynağı voltajları vdif1 ve vdif2'yi oluşturmak için iki PMOS'u önyargılı hale getirmek için kullanılan dahili mandalın dijital çıkışına dönüştürülür. Vdif1 ve vdif2'nin dönüş hızı farkı, mandal yapısını doğru şekilde tetiklemek için kullanılır ve okuma zamanlama diyagramı Şekil 4'te gösterilmiştir.
Şekil 4. PCM dizisi içeriğinin okuma işlemi zamanlama diyagramını ayırt etmek için diferansiyel algılama amplifikatörü
Şekil 7, ADC, osilatör, PLL, voltaj regülatörü ve SRAM dahil olmak üzere eksiksiz bir mikro denetleyici çipinin bir fotomikrografıdır. PCM ünitesinin alanı 40F²'dir.
Şekil 7. 28nm FD-SOI gömülü PCM uçucu olmayan belleğe sahip otomotiv sınıfı 0 mikro denetleyici çipinin fotomikrografı.
Bu çipin birden çok örneğinde okuma süresi performansını ölçtük. Sistem ayarı, 2 bekleme durumunun 3 saat döngüsüne karşılık geldiği şeklindedir, bunlardan iki saat döngüsü dizi okuma işlemlerine tahsis edilir ve bir döngü ECC dahil olmak üzere dijital işleme işlemlerine tahsis edilir. Farklı sıcaklıklar ve voltajlar altında sistem performansını ölçmek için shmoo teknolojisini kullanıyoruz (bkz. Şekil 5) 227MHz ana frekansta çalışırken Ta 8.8ns'dir. 0.85V ila 1.05V voltaj aralığında ve -40 ° C ila 165 ° C sıcaklık aralığında okuma yeteneğini doğruladık.
Geleneksel FEOL çözümü ile karşılaştırıldığında, PCM'nin tek bit değiştirilebilir özelliği, bayt / kelime yazma süresi performansını çok iyi hale getirir (30us). Silme işlemine artık ihtiyaç duyulmadığından, PCM yazma süresi büyük ölçüde azalır ve yazma verimi 0,83 MB / sn'ye ulaşır. PCM verileri kapsayabilir ve endüstriyi yazma döngüsü kavramını ve E2 simülasyon algoritmasının gerekliliğini yeniden tartışmaya tetikleyebilir. Yazma dayanıklılığı testinden sonra sıfırlama ve ayar dağıtımı Şekil 5'te gösterilmektedir. Şekilden, sıfırlama ile ayarlanan kuyruk arasındaki değerli okuma tanıma marjını görebilirsiniz. Yeni ürün ile 10.000 okuma ve yazma arasında performans düşüşü yoktur.
Şekil 5. 2 bekleme durumuna ayarlayın ve üç farklı sıcaklıkta okuma performansını ölçün (shmoo grafiği). En kötü koşullarda ölçülen okuma erişim süresi 8.8ns'dir. Dayanıklılık testinden sonra SET ve RESET'in 256KB'ye dağıtımı. 10.000 okuma ve yazma işleminden sonra, okuma penceresinin kapanmadığı gözlemlenmiştir.
Şekil 6'daki tablo, PCM belleğinin temel özelliklerini ve mevcut en son teknoloji ile karşılaştırmasını göstermektedir. PCM'nin depolama birimi küçük boyutludur, dengeli okuma ve yazma performansına sahiptir ve çözüm 2 ve 3 ile aynı tek depolama birimi değiştirme işlevine sahiptir, ancak çözüm 2 ve 3 otomotiv sistemlerinde kullanılamaz. Şema 1 hızlı okur ve yazsa da, veri modifikasyonunda daha az etkilidir. Bu makale, işlem sonrası gömülü geçici olmayan belleği uygulayan, piyasanın ilk otomotiv mikro denetleyicisini tartışmaktadır. Gömülü bellek 6MB kapasiteye sahiptir, 28nm FDSOI üretim teknolojisini kullanır ve -40 ° C ila 165 ° C çalışma sıcaklığı aralığına sahiptir. Bu ürün, geleneksel e-NVM flash bellek ana ürününün aynı işlevini tam olarak simüle etmektedir ve ana teknik özelliklerin gereksinimlerini karşılayabilir. Bu çözüm, en zorlu otomotiv ortamında, PCM'nin en azından flash belleği değiştirebileceğini, yüksek voltaj talebinin zorluklarını çözebileceğini ve gömülü teknolojiyi boyutu küçültmeye teşvik edebileceğini kanıtlıyor.
Şekil 6. 28nm FD-SOI CMOS yerleşik PCM'nin otomotiv sınıfı 0 mikrodenetleyicide ana performansı ve mevcut teknoloji ile karşılaştırması.
Referanslar
Y. Taito, et al., 170 ° C Tj'de 200 MHz Okuma İşlemi ve 2,0 MB / sn Yazma Verimi Sağlayan Otomotiv için 28nm Gömülü SG-MONOS Flaş Makro, ISSCC, s. 132-133, 2015
C.-C. Chou, et al., Okuma ve Yazma Performansını İyileştirmek için SL-Precharge SA ve Düşük Voltajlı Akım Sınırlayıcı ile N40256Kx44 Gömülü RRAM Makrosu, ISSCC, s. 478-479, 2018.
Q. Dong, ve diğerleri, 1,2 V VDD'de 2,8 ns Okuma erişim süresine sahip 1 Mb 28nm STT-MRAM, Tek Kapaklı Ofset İptal Edilmiş Algılama Amplifikatörü ve Yerinde Kendi Kendine Yazma Sonlandırma, ISSCC, s. 480-481 , 2018.
P. Zuliani ve diğerleri, Optimize Edilmiş GexSbyTez ile Faz Değişimi Anılarındaki Sıcaklık Sınırlamalarının Üstesinden Gelmek, Elektron Cihazlarında IEEE İşlemleri, Cilt 60, No. 12, Aralık 2013
gizli referans
