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作者：Nando Basile, X-FAB NVM與AI方案市場(chǎng)經(jīng)理 近年來(lái)，受到全球半導體產(chǎn)能短缺、新冠疫情以及季節性需求等因素的影響，存儲器件的價(jià)格呈現出較大的波動(dòng)態(tài)勢。 J.P. Morgan, Gartner and Deloitte等主要行業(yè)分析機構的分析師都預測了半導體產(chǎn)能的短缺將持續整個(gè)2022年，甚至更長(cháng)。根據WSTS的數據分析，2022年全球存儲器件市場(chǎng)的規模將達到1716.82億美元，較之前預估的2022年增加135.21億美元，同比增長(cháng)將會(huì )達到8.5%。 
圖 | WSTS的電子元器件市場(chǎng)預測（2021年11月） 圖源：WSTS 作為占半導體芯片行業(yè)大約30%的存儲器件，其需求增長(cháng)速度是快于半導體行業(yè)的。是什么在拉動(dòng)存儲器件的市場(chǎng)需求？目前來(lái)看，類(lèi)似于5G、物聯(lián)網(wǎng)、云存儲等主流應用將繼續成為傳統存儲市場(chǎng)的助推器；電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)的爆發(fā)推動(dòng)了汽車(chē)電子市場(chǎng)對于存儲的需求；可穿戴醫療應用又對于存儲的尺寸、功耗和品質(zhì)提出極為苛刻的要求；人工智能的快速崛起則將傳感、存儲和運算牢牢地綁在了一起。這些新興的應用場(chǎng)景無(wú)疑將要更加依賴(lài)于嵌入式存儲的技術(shù)發(fā)展。 嵌入式存儲在和傳統存儲器件的對比中，有著(zhù)一些自己獨有的優(yōu)勢。而不同的應用環(huán)境對于嵌入式存儲的方案有著(zhù)各自的需求。X-FAB，這家總部位于歐洲，全球領(lǐng)先的模擬、混合信號半導體晶圓廠(chǎng)，給出了他們自己在這個(gè)市場(chǎng)的答卷---成為一家一站式提供全系列嵌入式存儲解決方案的車(chē)規級晶圓代工廠(chǎng)：其中包括OTP/MTP/EEPROM/EFLASH等不同存儲IP，并且所有的嵌入式存儲IP都通過(guò)了最高規格的車(chē)規級別，工作溫度能達到-40℃到+175℃之間。 目前，全球半導體產(chǎn)能都處于極為短缺的狀態(tài)，對于那些使用獨立式存儲器件，并通過(guò)后端SiP集成的設計公司來(lái)說(shuō)，他們不得不面對來(lái)自多家供應商潛在的產(chǎn)能風(fēng)險。從更好地分配芯片產(chǎn)能的角度來(lái)講，利用SoC的系統設計，同時(shí)加入嵌入式存儲IP，無(wú)疑將獲得更有效的產(chǎn)能利用。嵌入式解決方案搭配產(chǎn)能的提前布局，將極大地增加新產(chǎn)品第一時(shí)間投入市場(chǎng)量產(chǎn)的信心，從而搶占市場(chǎng)先機。同時(shí)比起SiP的方案來(lái)講，嵌入式方案更省面積，這也意味著(zhù)整體設計的總成本也能得到相應優(yōu)化。 能解決存儲芯片市場(chǎng)供不應求的燃眉之急，又能獲得更優(yōu)的時(shí)間和價(jià)格成本，同時(shí)還能順應系統方案小型化趨勢，如此一舉三得的嵌入式存儲到底是什么東西？ 以嵌入式非易失性存儲器為例，也就是我們常說(shuō)的eNVM，它是存儲芯片的一種類(lèi)型。相對于獨立存儲器而言，嵌入式非易失性存儲器芯片被嵌入芯片內部作為其功能的一部分。按原理結構的不同，嵌入式存儲器又可分為一次可編程（OTP）存儲器，多次可編程（MTP）存儲器，閃存（Flash）和電可擦可編程只讀存儲器（EEPROM），每種嵌入式存儲器由于特性不同，適用的領(lǐng)域也有所不同。
圖 | 不同類(lèi)型eNVM性能及應用場(chǎng)景&寫(xiě)入次數對比 圖源：東方證券研究所 前面我們提到，驅動(dòng)存儲器市場(chǎng)不斷增長(cháng)的有5G、AI、云端、車(chē)用電子和物聯(lián)網(wǎng)，那么拉動(dòng)嵌入式存儲器增長(cháng)的“三駕馬車(chē)”又是什么呢？下面我們就來(lái)聊聊嵌入式存儲的真切市場(chǎng)需求與技術(shù)變革。 如果要問(wèn)這個(gè)世界的信息處理機制是怎樣的？那么最簡(jiǎn)化的流程無(wú)非就是感知、存儲、計算和通信，而說(shuō)到近些年最熱的詞，一定是傳感和人工智能（Edge-AI），我們不妨從這兩個(gè)角度來(lái)探討一下嵌入式傳感器的優(yōu)勢和發(fā)展趨勢。 首先是傳感器，今天越來(lái)越多的應用正在依賴(lài)智能傳感設備，而智能傳感器對于智能化的要求也在不斷增加，這個(gè)趨勢通常被稱(chēng)為“智能傳感器遷移”。當傳感器不再是簡(jiǎn)單的傳感后，對SoC芯片的要求也不再是僅僅簡(jiǎn)單執行傳感或者驅動(dòng)這類(lèi)的執行操作，而是需要有能力第一時(shí)間直接處理從外界捕捉來(lái)的數據——通過(guò)支持現場(chǎng)自適應處理，實(shí)現或者能夠快速轉換和優(yōu)化準備傳輸的數據（使數據適合在總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或者RF廣播上傳播），從而方便數據在后端得到進(jìn)一步處理。 從芯片架構的角度來(lái)講，任何智能傳感目前都需要on-board的MCU用來(lái)數據運算和處理，而MCU又離不開(kāi)SRAM和NVM（主要是EEPROM和Flash）。SoC最基本的功能是把傳感器從外界捕捉的信號（主要是模擬信號）轉換成數字信號，然后根據后端不同的協(xié)議轉換數據以備后續的傳輸。整個(gè)系統中關(guān)于存儲端必須要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)是該存儲單元的性能參數，大多數情況下這取決于整個(gè)SoC的應用場(chǎng)景。因此，所用到的存儲方案，在確保與系統中其余應用能夠完美集成在一起的同時(shí)，也必須要有能力承受整個(gè)系統相同的工作條件，還要具備與傳感器或者M(jìn)CU本身要求相當的可靠性水平。 從這點(diǎn)來(lái)講，嵌入式存儲解決方案的優(yōu)勢將會(huì )非常明顯。舉一個(gè)典型的例子——汽車(chē)和航天領(lǐng)域：在這些領(lǐng)域中，傳感器必須適應極限的高溫和低溫，同時(shí)能夠承受高電壓，有時(shí)甚至需要具備對輻射的恢復能力。類(lèi)似其他的應用對于環(huán)境的要求雖然可能沒(méi)有那么苛刻，但仍需要有比較高的安全標準，比如說(shuō)生物醫療。 而對于上述提及的這些應用情況，嵌入式解決方案的現有替代方案都不具有成本優(yōu)勢，更不利于管理，甚至無(wú)法匹配傳感器/MCU的運行環(huán)境條件。因此，在汽車(chē)電氣化、自動(dòng)駕駛、遠程醫療等全球趨勢的引領(lǐng)下，嵌入式解決方案在這些市場(chǎng)都有望在未來(lái)穩步增長(cháng)。 當然，提到傳感器，我們就不得不提到低功耗。便攜式傳感器在我們的日常生活中變得越來(lái)越普遍，用戶(hù)們在平日生活中除了依然要求這些傳感器足夠聰明之外，還要求“能夠將感知的數據轉化為有用的用戶(hù)體驗，或者壓縮數據用以有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )（如藍牙、蜂窩網(wǎng)絡(luò )等）傳輸”。在這一過(guò)程中，用戶(hù)會(huì )更關(guān)注整個(gè)系統的功耗，這里指的是電源驅動(dòng)或者能源回收。而嵌入式存儲器在這一點(diǎn)上非常具有自己的優(yōu)勢。 嵌入式方案可以確保一顆SoC平滑集成低功耗方案（例如柵極供電），縮短互聯(lián)路徑，較大程度地減少可能產(chǎn)生的天線(xiàn)問(wèn)題。嵌入式方案也將更少受到寄生漏電或者其他缺陷的影響（或根本不受影響）。對于這些缺陷，設計者在選擇多封裝組件的異構方法時(shí)是需要做額外處理的。 此外，在小型化趨勢中，許多便攜式設備都會(huì )面臨嚴格的空間限制，比如醫療可穿戴應用。因此，電子元器件的尺寸大小也變得非常關(guān)鍵。嵌入式存儲在空間節省上也有著(zhù)不可替代的優(yōu)勢。類(lèi)似的應用，如3D集成，會(huì )極大地引領(lǐng)嵌入式存儲的發(fā)展，其中包含了電阻RAM或者自旋電子存儲。
圖 | eNVM下游主要應用 圖源：信達證券研發(fā)中心 講完傳感的智能化和低功耗趨勢，我們再來(lái)聊聊有機會(huì )重塑我們未來(lái)的人工智能（Edge-AI）。事實(shí)上，從長(cháng)遠看，這一趨勢正逐步將當前的智能傳感轉變?yōu)樾乱淮悄軅鞲�。更多的分析和決策將由傳感器來(lái)完成，模仿人類(lèi)的感覺(jué)和反射。如前所述，為了使新型應用或現有的應用更高效，“智能化”與“低功耗”需要獲得完美的結合。目前來(lái)看，尤其在面對電源驅動(dòng)的方案時(shí)，圖像識別和音頻識別這兩大應用將為這一轉變提供無(wú)窮盡的動(dòng)力。當然，隨著(zhù)人工智能的不斷發(fā)展，我們一定還會(huì )看到更多超乎我們想象的新應用的到來(lái)。 在人工智能（Edge-AI）這個(gè)應用領(lǐng)域，不同類(lèi)型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )架構大都通過(guò)硅來(lái)實(shí)現——所有這些實(shí)現都是基于半導體陣列的，并在推理演繹和機器學(xué)習的基礎上實(shí)現這些基本的MAC操作。這種半導體單元陣列在概念上與嵌入式存儲陣列非常相似，這預示著(zhù)一種未來(lái)技術(shù)的趨勢：那就是從目前的邏輯陣列（易失性或非易失性）向multi-bit多位元或“近似模擬化”的一種升級。 整個(gè)人工智能（Edge-AI）的核心點(diǎn)在于：這種類(lèi)似存儲架構的網(wǎng)絡(luò )連結結構將不再是CPU的附屬，而是將成為整個(gè)應用的計算中心。這與傳統的基于MCU的方法不同，傳統的方法使用存儲陣列從CPU來(lái)回傳輸數據（在這個(gè)過(guò)程中消耗大量的電力，并產(chǎn)生額外的熱量）。在Edge-AI的架構中，關(guān)于計算所有的一切都在陣列內部進(jìn)行，實(shí)現真正的存內計算。正如人類(lèi)大腦的工作模式，所有的決策過(guò)程都在內部通過(guò)神經(jīng)元和突觸陣列之間的電子路徑產(chǎn)生。 由于人工智能被廣泛認為是繼手機革命之后，又一個(gè)未來(lái)幾年會(huì )以?xún)晌粩档膹秃显鲩L(cháng)率增長(cháng)的大事件，并且能夠大大改善我們的生活方式。因此在這個(gè)賽道上，對嵌入式存儲器以及其集成方案有充分了解的公司將在市場(chǎng)上搶得先機。在人工智能這個(gè)應用上，一些關(guān)鍵技術(shù)參數更多取決于： • bit-cell的操作框架 • 整體低功耗的競爭力 • 面向多個(gè)NVM方案的設計靈活度 • 選用Foundry平臺的通用性 綜合來(lái)看，對于許許多多需要智能化支持的傳感器來(lái)講，嵌入式存儲是完美的解決方案。而嵌入式存儲器，尤其是非易失性存儲器，不管從中期還是長(cháng)期來(lái)看都將迎來(lái)一個(gè)極為光明的應用前景。從短期來(lái)看，嵌入式存儲的解決方案可以有助于緩解近期全球半導體短缺的問(wèn)題，成為汽車(chē)和便攜式應用（特別是醫療健康）創(chuàng )新的關(guān)鍵推動(dòng)者。從長(cháng)遠來(lái)看，嵌入式存儲能夠為Edge-AI實(shí)現大規模推廣和普及鋪平道路。從某種意義上來(lái)講，嵌入式存儲將有助于人類(lèi)進(jìn)入下一個(gè)文明時(shí)代。
圖 | X-FAB嵌入式非易失性?xún)却妫╡-NVM）解決方案組合 值得一提的是，為了滿(mǎn)足日益增長(cháng)的嵌入式存儲的需求，X-FAB能夠提供非常靈活的一站式解決方案。整體方案具備一流的可靠性品質(zhì)、多樣化且具有彈性的搭配選擇以及持續穩定的NVM平臺，可以滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求。而X-FAB的專(zhuān)業(yè)能力以及完善的技術(shù)路線(xiàn)圖更將幫助其客戶(hù)從其競爭對手中脫穎而出。 |
