瑞萨电子推快速存取、高耐温性40纳米微控制器

如今，嵌入式系统在汽车电子系统中的运用越来越广泛，其结构也日趋复杂，而消费者对于电子系统的性能要求也在日益增长，车主们希望其有更快的反馈速率，更简便的操控，以及更强的稳定性。为了适应需求，瑞萨电子推出一款能够满足大规模电路并容纳大量内置程序的微控制器。
快速存取 高耐温性
高性能微控制器必须要拥有大容量的内部闪存以存储复杂的控制算法和应用代码。瑞萨电子的新款微控制器产品主要将对芯片的片上闪存进行扩展。
一块高性能微控制芯片不仅要拥有大容量的片上闪存，还需要高速的读存取速率，这样CPU才能快速的获取存储的数字信息，并最大限度地提高程序的执行效率。若闪存读取速度缓慢，那么整个逻辑电路就会发生木桶短板效应，发挥不了系统最大的性能。CPU的时钟周期如果被浪费用来等待闪存读取，那么整个系统的执行效率显然会降低。改进应用程序性能和简化系统设计对于获得最快的闪存读存取速度至关重要。
下图为瑞萨电子MCU发展时间-闪存读取速度图：可以看到，到2010年，瑞萨MCU芯片大小为40纳米，响应频率大大超过100MHz（红色虚线）。而传统MCU芯片供应商（蓝色实线）产品的闪存读取频率仍低于40MHz，很大程度上限制了芯片的性能发挥。

 

图1：MCU和内置闪存的工作频率变化历史
高可靠、低消耗
新型微控制器芯片内部闪存记忆模块采用瑞萨自主研发MONOS（金属氧化氮氧化硅）电池单元技术。闪存单元以硅作为基座，每个晶体管上覆盖3层物质，分别为：氧化物-氮化物-氧化物，顶部带有金属控制栅极。通过改变晶体管的阀值电压进行数据存储，晶体管的导电特性就是正向电压导电,负向电压电阻很大,导电记为1，断路为0，而导电与断路的信息由氮化物层捕获。传统的MCU芯片中采用浮动栅技术，见图2。

 

图2：MONOS技术与浮动栅技术对比
瑞萨电子的MONOS技术与浮动栅技术相比，具备更优异的可扩展性。具体来说，当栅氧化层产生漏泄时，几乎所有存储在浮栅上的电荷都穿到硅主板上。而对于MONOS技术，只有靠近漏泄处的一部分电荷穿过，极大部分的电荷都能被保住。据此，MONOS技术不仅提高了数据的可靠性，缩小存储单元纵向与横向的尺寸也变得更为方便，可以说这是适用于需要满足高集成、高可靠性要求的车载高端MCU应用的技术。
这项MONOS闪存技术非常适合用于汽车和其它需要高度集成化和高可靠性的应用中，这款产品已经经过了数百万小时的试验，目前尚未出现差错。

 

图3：分裂栅结构的存储单元
对于瑞萨电子来说，MONOS技术本身作为智能卡（IC卡）用存储器已有超过20年以上的生产实绩。以此为基础，瑞萨电子针对内置闪存MCU对MONOS技术进行改良和开发，将其集成于MCU上。这就是被称为“分裂栅”，具有栅结构的MONOS技术。所谓分裂栅，就是指栅极分为两个（栅极分离），闪存中的分裂栅结构就是指一个栅为存储单元选择用栅、另外一个栅用于数据存储。
在分裂栅结构中，选择用栅会被设定为“正常关闭”状态，存储用栅会被设定为“正常开启”状态。正常关闭状态是指栅处于OV时为关闭状态，正常开启状态是指栅处于0V时为开启状态。分裂栅结构中选择用栅的通道长度较短，而且使用与逻辑同样薄的栅氧化层，因此与原来的栅结构相比，实现了高速、低功耗工作的闪存单元。