SiP和eNVM: 哪一个是最好的选择？

作者: Yafeng Zhang

汽车电子和物联网应用的蓬勃发展，推动着市场对于MCU需求的增长。最新的预测表明，MCU在未来五年的年复合增长率会达到4%， 而汽车MCU的增长率会高达14%。

非挥发性存储器(NVM)是MCU芯片必不可少的组成部分，它不仅需要用来存储代码，而且需要用来存储使用过程中产生的数据。

两种方案

业界通常有两种MCU存储模块的解决方案：嵌入式存储器(eNVM)和系统级封装 (片外存储器–SIP)。eNVM工艺是在逻辑工艺平台的基础上开发的特殊工艺，通过这种工艺生产出带有非挥发存储器模块的的芯片。对于不同的eNVM工艺，需要增加不同层数的光罩，因此它的工艺成本相比于逻辑工艺有一定的增加。对于SIP解决方案，是通过封装的方法，把一颗NOR闪存芯片和逻辑芯片封装在一起，代码和数据存储在独立的、外挂的NOR闪存芯片上。

目前，世界领先的MCU厂商主要使用eNVM方案，但SIP方案对于新进入的公司很有吸引力，因为这种设计简单，设计周期短，从而使厂商降低设计成本，加快上市速度。然而，SIP解决方案无法满足特定应用场景的所有要求，综合考虑到成本、功耗、速度、安全性、稳定性和可靠性要求，很多应用场景下，使用eNVM是更好的解决方案。

综合评估

为了帮助MCU厂商选择最优的解决方案，我们从功耗、启动时间、速度、安全性、可靠性和成本等方面，结合客户目标的应用场景，比较一下两种方案。

• 功耗：eNVM的功耗会比SIP低30%以上，因为SIP采用外挂的Flash芯片，在读写操作的时候，需要驱动IO，造成功耗的增加。因此，对于用于电池供电的低功耗应用，格芯推荐使用eNVM。
  GF and eVaderis are co-developing a low power MCU using 22FDX and eMRAM
• 启动时间：eNVM的启动速度比SIP快20倍以上(Datasheet spec: 5us vs >100us)。而且，因为eNVM是XIP(eXecute In Place)，主芯片可以直接从NVM模块读数据进行启动，而SIP Flash，系统通常需要将数据从外部存储器下载到片上SRAM，需要更长的时间。因此，对于需要快速启动的常闭应用，格芯推荐eNVM。
• 速度：eNVM比SIP提供2X以上的更快的读取速度(10ns, x32的eFlash是400MB/s vs 最高端的SPI NOR， 400MHz, 8bit位宽速度是200 MB/s)。更进一步，eNVM模块的位宽可以很容易的扩展到X64，X128，甚至X256，所以，eNVM的速度更具优势。因此，对于需要高速/高带宽的应用，格芯推荐使用eNVM。
• 安全性：eNVM比SIP提供更高的安全性，因为eNVM模块可以被定制，同时，工艺可以使用诸如PUF之类的IP来增强安全性。相反，SIP Flash是市场上的标准产品，很难增加额外的安全性设计。因此，对于需要高安全性的应用，格芯推荐eNVM。
• 可靠性：eNVM提供了更高的可靠性。在嵌入式工艺开发的时候，eNVM和逻辑工艺作为一个整体，可以直接达到车规1级或者0级，因此对于严格可靠性要求的应用，格芯推荐eNVM。
  40nm Embedded Self-Aligned Split-Gate Flash Technology for High Density Automotive MCU
  CMOS Embedded STT-MRAM arrays in 2x nm Modes for GP-MCU applications
• 成本：成本是最难比较的部分，牵涉范围广，通常需要考虑以下一些因素：
  • NVM的存储大小和整个芯片尺寸，它决定了每片晶圆上面的芯片颗粒的数量。
  • 逻辑工艺和eNVM工艺的晶圆价格。
  • SIP方案中，片上SRAM的容量，用于在系统启动的时候，从外部存储中下载代码。
  • SIP方案的闪存KGD价格
  • 晶圆测试成本
  • 其他因素如晶圆良率(逻辑工艺和嵌入式工艺)，封装的良率损失，管理成本等

成本比较

我们选取了六个典型的NVM存储容量(2MB，4MB，8MB，16MB，32 MB，128MB)，在格芯的40nm LP逻辑工艺和嵌入式工艺，22FDX®（22nm FD-SOI）逻辑工艺和嵌入式工艺，一共4种工艺平台上，进行成本的比较。

同时，对于SIP方案，因为每个产品都有不同启动方法，会用到不同的片上SRAM容量来“映射”外部闪存。下面的比较选择了最理想的情况：SIP解决方案和eNVM解决方案利用完全相同的SRAM容量。实际情况是，大多数常见的SIP解决方案会采用更大的SRAM容量。

来源: 格芯

从上图可以看到，对于采用40nm平台的产品，当NVM容量小于16Mb时，选择eNVM(eFlash)的方案，成本较低，而当NVM容量等于或高于16Mb时，SIP解决方案成本较低。

对于采用22nm FDX技术的产品，当NVM容量小于32 Mb时，eNVM(eMRAM)解决方案的成本较低，而当NVM容量等于或高于32 Mb时，SIP解决方案成本较低。

比较这两个平台，22FDX eNVM解决方案在所有NVM容量条件下的成本都比40nm SIP方案更低。与此同时在功率、速度、安全性和可靠性方面均优于SIP解决方案。

更重要的一点，当SIP选用更大的SRAM容量时，eNVM解决方案的优势更加明显。

最优选择

总之，eNVM和SIP解决方案都是设计制造MCU的可行方法。然而，基于优越的功耗、速度、安全性和可靠性，eNVM往往是MCU的更好选择。在成本方面，对于小容量，eNVM通常比SIP更低。MCU厂商通常需要权衡各种方案的利弊，来赢得市场。而格芯提供了多种解决方案，来协助我们的客户取得成功。格芯的eNVM技术，使用从主流的130nm平台到领先的22nm FDX平台，以满足新兴市场的多样化需求。低功耗的FDX平台加上低功耗的eMRAM的解决方案，是IoT应用的最优选择，而eMRAM超快的存储速度和高容量，使它同样适用于计算和存储市场。结合了RF和优越性能的LP + eFlash方案, 特别适用于汽车，工业，和消费类MCU市场。而格芯的成熟的SIP解决方案可以帮助客户加快产品面世的进程

请联系格芯为您的特定MCU架构提供更精确的的SIP与eNVM的比较分析。