Tecnologia flash Monos con processo a 40nm

MICROCONTROLLORI –

La tecnologia Monos introdotta da Renesas definisce nuovi standard nel mercato dei microcontrollori in termini di affidabilità superiore, minori consumi di corrente e programmazione efficiente e si rivolge in modo particolare ad applicazioni automotive.

Sfruttando l'esperienza di Renesas nel 2010 Renesas ha introdotto una famiglia di Mcu a 32 bit che combina la tecnologia core V850 con il processo Monos (Metal Oxide Nitride Oxide Silicon) per flash a 90 nm, progettata per applicazioni di controllo nell'area automotive, che si caratterizza per l'elevata efficienza di programmazione, un minore consumo di energia e un'affidabilità superiore. Il maggiore vantaggio delle celle flash in tecnologia Monos è che nel caso di un difetto nello strato di ossido della cella, la carica del gate flottante (floating gate) non è totalmente dispersa dando come risultato una perdita del dato, ma viene persa solamente una piccola quantità di carica nella posizione del difetto. Contrariamente alla tecnologia flash convenzionale, dove il gate flottante è realizzato con materiale conduttivo, il contenuto della cella flash Monos programmata può ancora essere letto grazie all'uso di un materiale isolante (Si3N4) come gate flottante. Il veloce tempo di ciclo di lettura delle celle flash è ottenuto, poiché, per ragioni tecnologiche, lo stesso livello di tensione necessario per la lettura della cella flash può essere utilizzato per il core del processore. Quindi la logica di lettura può essere realizzata con la stessa tecnologia Cmos. Non sono necessarie complesse pompe di carica per ottenere tensioni più elevate. Questo, insieme alla velocità superiore, porta a minori consumi di energia.

Tecnologia flash Monos
basata su un processo a 40 nm

Come decisione strategica, Renesas ha quindi promosso lo sviluppo della tecnologia flash Monos basata su un processo a 40 nm. Con questo la società ha scelto un approccio diverso rispetto ad altri produttori di semiconduttori che hanno optato per tecnologie a 65 nm e 55 nm come passaggio intermedio. Questo ha preparato a Renesas il terreno per integrare elevate densità di memoria flash in dimensioni del chip più ridotte rispetto agli altri produttori di Mcu. Per mezzo delle celle flash a 40 nm la dimensione del chip delle nuove Mcu può essere ridotta a circa il 25% della dimensione del chip in tecnologia a 90 nm o a circa il 50% della dimensione del chip in tecnologia a 65 nm di un dispositivo comparabile. Nonostante la struttura minuta il nuovo processo è caratterizzato, in particolare, dalla sua affidabilità e dal lungo tempo di ritenzione dei dati. Questo è uno dei prerequisiti più importanti per ottenere l'accettazione del mercato e per avere successo nelle applicazioni automotive. La nuova tecnologia garantisce 20 anni di ritenzione dati per l'emulazione Eeprom e un minimo di 125.000 cicli di scrittura/lettura. Inoltre il processo Monos è eccellente per la scalabilità; questo vuol dire che l'esperienza acquisita e le misure implementate nella tecnologia a 90 nm possono essere applicate alla tecnologia a 40 nm per migliorare ulteriormente le proprietà della cella. Quindi la struttura della memoria può essere ridotta senza abbassare troppo lo spessore del gate flottante che, nel processo flash, porterebbe a una limitazione del tempo di ritenzione dei dati o dei cicli di scrittura/lettura. Un altro importante criterio di sviluppo del nuovo processo è il consumo di corrente delle celle di memoria e dell'intero blocco di memoria. Al fine di ottimizzare il consumo di carburante e i valori di emissione la minimizzazione dei consumi di corrente è un aspetto importante dell'elettronica per i veicoli nello sviluppo automotive odierno, sia esso un controllo motore o applicazioni nello chassis. E specialmente per le applicazioni alimentate a batteria, per esempio nelle auto elettriche o in applicazioni in veicoli con lo spegnimento del motore, i minori consumi di corrente sono un importante fattore di differenziazione nei confronti dei prodotti concorrenti. Anche qui, con valori di corrente approssimativamente di 0,5mA/MHz, si evidenzia il vantaggio della tecnologia flash a 40 nm. Oltre a quanto detto la nuova tecnologia risponde anche alle esigenze di temperature dei moderni sviluppi automotive, dove la piena funzionalità deve essere garantita a temperature ambiente e fino a 170 oC. Questo è un vantaggio significativo particolarmente nel vano motore e nella scatola del cambio. Infine le singole celle flash sono integrate nei cosiddetti blocchi di memoria con la rispettiva logica di programmazione e di lettura che consente una connessione ottimale di questi blocchi alla Mcu con diverse esigenze di dimensione di memoria. Quindi è possibile realizzare microcontrollori con memoria flash embedded che va da 128 KByte fino a 10 Mbyte. La velocità di accesso è un altro importante parametro di una cella flash. Come le tecnologie Monos a 150 e 90 nm esistenti la tecnologia a 40 nm consentirà un tempo di accesso estremamente veloce di meno di 10 ns (accesso random a ciclo singolo fino a 120 MHz). Questo richiederà una memoria cache solo a frequenze superiori a 100 MHz. I costi per questo sono significativamente minori rispetto a memorie flash con tempi di accesso più lenti. Il progetto corrente dei chip con la tecnologia Renesas a 90 nm utilizza da 6 a 7 livelli di metallizzazione per i collegamenti e le schermature all'interno della Mcu, mentre il processo Monos a 40 nm supporta fino a 11 livelli di metallizzazioni. Questi strati di metallizzazione sono essenzialmente costituiti da una lega rame-alluminio che garantisce un tempo di ciclo di lettura decisamente migliore della pura tecnologia in rame. I microcontrollori per automotive essendo correntemente sviluppati con il nuovo processo Monos a 40 nm soddisfano lo standard Iso 26262 per la sicurezza funzionale. In questo contesto i microprocessori contengono diverse misure hardware che facilitano significativamente i livelli di sicurezza da Asil-A fino ad Asil-D. Il dispositivo integra funzioni che supportano sia l'utilizzatore (ad esempio meccanismi di protezione della memoria, monitoraggio del runtime, ecc.) che misure di sicurezza dedicate (tecniche di correzione d'errore su Ram/Flash, processori ridondanti, monitoraggio del clock, monitoraggio della tensione, self-test ecc.). L'obiettivo della nuova linea di prodotti è di supportare efficacemente anche le esigenze più estreme, per esempio la certificazione fino al livello Asil-D.

La nuova generazione di Mcu a 32 bit
La nuova generazione di Mcu a 32 bit con core RH850 e flash a 40 nm coprirà una varietà di applicazioni con differenti configurazioni del chip. Quindi saranno sviluppati diversi sotto-sistemi del core per supportare le esigenze del settore automotive che andranno dalla semplice applicazione a core singolo fino ai complessi sistemi multi-core, compreso il cosiddetto processore Dual Lockstep, in modo efficiente e user friendly. Un'importante politica di sviluppo è il “concetto di famiglia". Questo assicura che lo stesso core e il relativo sottosistema, il bus e le IP ottimizzate come periferiche sono utilizzate in tutte le Mcu della famiglia e i corrispondenti segmenti applicativi per consentire la realizzazione di software applicativi scalabili e riutilizzabili in applicazioni diverse. Come conseguenza questo concetto porta a un supporto qualificato e robusto di Autosar per tutte le famiglie di Mcu a 32 bit.

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