就像一個(gè)遍體鱗傷的職業(yè)拳擊手，PCM不會(huì)屈服或放棄戰(zhàn)斗。盡管PCM因美光3D XPoint和英特爾Optane的不幸遭遇而鼻青臉腫，但由于意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，簡(jiǎn)稱ST)和三星的合作，它已經(jīng)在微控制器領(lǐng)域找到了自己的出路。早在2018年，意法半導(dǎo)體就宣布，它正在為汽車市場(chǎng)提供采用28nm FD-SOI工藝制造的嵌入式PCM (ePCM)微控制器。現(xiàn)在，意法半導(dǎo)體宣布了下一代帶有ePCM的汽車微控制器，由三星采用聯(lián)合開發(fā)的18nm FD-SOI工藝結(jié)合意法半導(dǎo)體的ePCM技術(shù)制造。

ST專門針對(duì)汽車行業(yè)的ePCM微控制器，因?yàn)槠囆袠I(yè)比大多數(shù)其他微控制器應(yīng)用具有更嚴(yán)格的環(huán)境溫度要求。高溫是PCM的致命弱點(diǎn)。PCM利用材料在非晶態(tài)和多晶態(tài)之間轉(zhuǎn)換時(shí)的電阻變化：非晶態(tài)電阻高，多晶態(tài)電阻低。這兩種狀態(tài)創(chuàng)建了一個(gè)存儲(chǔ)單元。來自同一位置的加熱器的一個(gè)尖銳的、短的溫度峰值使PCM存儲(chǔ)介質(zhì)呈現(xiàn)出非晶態(tài)，而一個(gè)較長(zhǎng)的、較低的熱脈沖使材料轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑B(tài)，如下圖所示。

根據(jù)意法半導(dǎo)體的PCM網(wǎng)頁(yè)，該公司的PCM材料最高工作溫度為165℃，至少適用于該公司的18nm汽車微控制器。

下圖說明了PCM電池的設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)這些PCM電池相變的加熱器是埋在下面的雙極晶體管。

將一個(gè)新的微控制器家族建立在一個(gè)有著悠久而粗略歷史的存儲(chǔ)器技術(shù)上似乎是有風(fēng)險(xiǎn)的，但ST是有辦法的。自20世紀(jì)70年代微控制器首次出現(xiàn)以來，除了硬ROM版本外，它們主要基于某種可擦PROM （EPROM）單元。最早的微控制器使用紫外線可擦除的EPROM （UV-EPROM）單元。IC供應(yīng)商將這些第一批可擦除的微控制器封裝在帶有石英窗口的封裝中，以允許擦除和重用。為了降低設(shè)備的價(jià)格，他們會(huì)省略封裝窗口，用相同的微控制器芯片創(chuàng)建一次性可編程設(shè)備。后來，當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)掌握了可電擦除的EEPROM和閃存EEPROM時(shí)，石英窗口的封裝完全消失了。

隨著行業(yè)沿著摩爾定律曲線下滑，閃存EEPROM單元的擴(kuò)展并不好，這促使意法半導(dǎo)體尋找一種替代的非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，該技術(shù)適用于使用更先進(jìn)的半導(dǎo)體節(jié)點(diǎn)制造的微控制器。一些微控制器制造商已經(jīng)將其微控制器轉(zhuǎn)向FeRAM或eMRAM。ST選擇了ePCM。

ST對(duì)PCM并不陌生。2008年，ST與英特爾合資成立了一家新的非易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)公司Numonyx。Numonyx存儲(chǔ)芯片使用閃存EEPROM或PCM存儲(chǔ)單元。這家新公司生產(chǎn)多種非易失性存儲(chǔ)器，專門生產(chǎn)NOR閃存。Numonyx在2010年推出了90nm PCM器件。同年，美光以價(jià)值12.7億美元的股票收購(gòu)了Numonyx，并進(jìn)入了PCM領(lǐng)域。美光很快停產(chǎn)了Numonyx PCM設(shè)備，后來又推出了與英特爾聯(lián)合開發(fā)的不同系列PCM存儲(chǔ)芯片。該公司將這些新的PCM設(shè)備命名為“3D XPoint”。英特爾推出了自己的3D XPoint PCM版本，名為Optane，將其打包成內(nèi)存DIMM和SSD出售。

英特爾的Optane和美光的3D XPoint被定位為NAND閃存EEPROM的直接競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，但PCM的經(jīng)濟(jì)性和NAND閃存設(shè)備的快速發(fā)展從未允許3D XPoint和Optane產(chǎn)品在大型非易失性存儲(chǔ)器中具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。美光在2021年退出了PCM領(lǐng)域，英特爾在2022年關(guān)閉了Optane PCM。

ST對(duì)FD-SOI也并不陌生。該公司于2012年底開放了其28nm FD-SOI工藝的預(yù)生產(chǎn)訂單。大約在同一時(shí)間，ST和格芯宣布，格芯將生產(chǎn)基于ST 28納米和20納米FD-SOI工藝技術(shù)的集成電路。三星于2015年獲得ST的FD-SOI工藝技術(shù)許可，并于2022年宣布，他們將在ST位于法國(guó)Crolles的現(xiàn)有300毫米半導(dǎo)體工廠附近建立一個(gè)新的、聯(lián)合運(yùn)營(yíng)的、支持FD-SOI的300毫米半導(dǎo)體制造工廠。從這段短暫的歷史再回到ST最近發(fā)布的用于汽車應(yīng)用的18nm FD-SOI微控制器。三星是該設(shè)備的初始代工廠，但ST/格芯在Crolles的合資工廠將作為替代制造來源。最近，隨著汽車客戶受到半導(dǎo)體供應(yīng)鏈崩潰的重創(chuàng)，另一個(gè)供應(yīng)來源看起來非常有吸引力。

ST一直對(duì)其新的18nm汽車微控制器的規(guī)格保持謹(jǐn)慎。新聞稿簡(jiǎn)單地說：

基于該技術(shù)的首款微控制器將集成最先進(jìn)的ARM Cortex-M內(nèi)核，為機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用提供增強(qiáng)的性能。它將提供快速靈活的外部存儲(chǔ)接口，先進(jìn)的圖形功能，并將集成眾多模擬和數(shù)字外設(shè)。它還將具有先進(jìn)的、經(jīng)過認(rèn)證的安全功能，這些功能已經(jīng)在ST最新的MCU上推出。”

當(dāng)被問及處理器內(nèi)核的名稱時(shí)，ST的一位發(fā)言人提供了一個(gè)間接的答案，他說Arm目前最先進(jìn)的Cortex-M處理器內(nèi)核是Cortex-M85。該Arm處理器核心集成了Arm的Helium矢量處理擴(kuò)展，可以加速圖形、DSP和機(jī)器學(xué)習(xí)算法。與Arm的Neon SIMD矢量擴(kuò)展相比，Helium是一種輕量級(jí)的矢量處理方法。Helium是一種比neon更輕的惰性氣體，因此被命名于Arm Cortex-M架構(gòu)的擴(kuò)展。

Arm的“最先進(jìn)的Cortex-M”處理器在ST的新18nm微控制器上的運(yùn)行速度有多快？同樣，ST沒有具體說明。但微控制器供應(yīng)商和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手瑞薩最近推出了一個(gè)基于Cortex-M85處理器核心的微控制器系列RA8D1，其時(shí)鐘頻率為480MHz。瑞薩電子使用22nm工藝技術(shù)制造RA微控制器，因此，ST 18nm FD-SOI微控制器中的Cortex-M85內(nèi)核可能比它運(yùn)行得更快。

同樣，ST的新聞稿沒有提到新的汽車微控制器中包含的PCM或RAM的數(shù)量。為了尋找線索，我們可以看看ST的上一代基于FD-SOI和PCM的汽車微控制器。這些器件采用ST的28納米Stellar微控制器系列。該家族中最大的成員是StellarSR6 P6，它包含六個(gè)Arm Cortex-R52+處理器內(nèi)核，多達(dá)2.3兆字節(jié)的SRAM，以及多達(dá)16兆字節(jié)的PCM，其中15.5兆字節(jié)的PCM專用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)，0.5兆字節(jié)的PCM專用于微控制器的硬件安全模塊。StellarSR6 P6微控制器還具有15.5 MB的shadowPCM，以適應(yīng)OTA更新。

在從28納米到18納米FD-SOI工藝技術(shù)的跳躍中，預(yù)計(jì)ST應(yīng)該能夠輕松地將其新微控制器上的可用RAM和PCM數(shù)量增加一倍或四倍。最終，ST將為這些新的18nm FD-SOI微控制器提供附加信息的數(shù)據(jù)表。下一代FD-SOI工藝有望為業(yè)界（由三星、ST和格芯制造）提供一個(gè)新的有趣的應(yīng)用，而PCM將進(jìn)入下一輪半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的價(jià)格之戰(zhàn)。

原文鏈接：

https://www.eejournal.com/article/st-rolls-a-new-fd-soi-microcontroller-with-phase-change-memory-pcm-for-automotive-applications/