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(shí)具備數據可更改性及掉電保存性而已被越來(lái)越廣泛的應用于SoC物理設計。文中結合一款電力網(wǎng)控制芯片R36的實(shí)際設計案例，分析了該器件的應用特點(diǎn)，并從用途、性能、容量選擇等方面說(shuō)明了通過(guò)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(guān)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(guān)閉或無(wú)電源供應時(shí)仍能保持數據信息的存儲器，常見(jiàn)的有EPROM、EEPROM、Flash-EEPROM等。由于其同時(shí)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(pán)功能，如固態(tài)硬盤(pán)(SSD)。傳統的系統解決方案采用外掛片外NVM芯片，這種方法會(huì )使系統復雜度提高。而隨著(zhù)嵌入式NVM技術(shù)的發(fā)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(wèn)題。為此，本文以一款電力網(wǎng)控制芯片R36的物理設計為例，討論了嵌入式NVM在實(shí)際應用中需要注意的問(wèn)題，并給出了解決方案。

1 嵌入式NVM簡(jiǎn)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(xiě)0及讀取。擦1時(shí)，Vcg為12 V，Vd為6 V，漏柵之間的電場(chǎng)使漏端電子穿越氧化層勢壘而到達浮柵并存儲，該過(guò)程稱(chēng)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(cháng)時(shí)間；寫(xiě)0時(shí)，Vcg為-12 V，Vd為6 V，漏柵之間的電場(chǎng)給浮柵上的電子提供釋放到P-sub的通路，稱(chēng)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(wèn)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(shí)，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(shí)，為了節約產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，通常把NVM做成可復用的IP，然后映射成logic工藝。
1．2 常見(jiàn)的嵌入式NVM
目前常見(jiàn)的嵌入式NVM有EEPROM和flashEEPROM(簡(jiǎn)稱(chēng)flash)兩大類(lèi)，EEPROM每個(gè)存儲單元都配有一個(gè)門(mén)控開(kāi)關(guān)，故可實(shí)現單元獨立擦操作；而flash存儲單元沒(méi)有獨立的門(mén)控開(kāi)關(guān)，通常以page為單位進(jìn)行擦操作，因此，相同容量的EEPROM面積會(huì )大于flash，但單個(gè)單元擦寫(xiě)時(shí)間則小于flash，且擦寫(xiě)時(shí)不影響其他單元的狀態(tài)，同時(shí)，使用壽命較flash有很大的優(yōu)勢。常見(jiàn)的flash也因其架構不同，可分為NORflash和NANDflash兩類(lèi)，NAND flash架構更為緊湊，成本／容量比更優(yōu)，但目前嵌入式技術(shù)相對沒(méi)有NOR成熟。