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Toshibas „TXZ+“-Serie: Erste Mikrocontroller mit SONOS-Speicher

| Redakteur: Michael Eckstein

Toshiba bringt erstmals Mikrocontroller mit integriertem SONOS-Speicher (Silizium-Oxid-Nitrid-Oxid-Silizium) auf den Markt. Die Technik für nichtflüchtige Speicher soll im Vergleich zu herkömmlichem Flash-Speicher viel öfter und schneller beschreibbar sein und auch hohe Betriebstemperaturen verkraften.

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Haltbar: Zum ersten Mal setzt Toshiba bei Mikrocontrollern auf nichtflüchtigen SONOS-Speicher.
Haltbar: Zum ersten Mal setzt Toshiba bei Mikrocontrollern auf nichtflüchtigen SONOS-Speicher.
(Bild: Toshiba Electronics Europe)

TXZ+ nennt Toshiba Electronics Europe seine neuen, auf Cortex-Prozessoren von ARM basierenden 32-Bit-Mikrocontroller (MCU). Der Hersteller hat die Serie in zwei Klassen unterteilt: Die TXZxA+ „Advanced Class“ wird in einem 40-nm-CMOS-Prozess gefertigt und ist mit einem Cortex-M3 oder -M4 Prozessor-Core mit Fließkommaeinheit (Floating Point Unit, FPU) ausgestattet. Die Einsteigermodelle TXZxE+ der „Entry Class“ entstehen hingegen in einem 130-nm-CMOS-Prozess und enthalten je einen Cortex-M0-, M3- oder M4-Prozessor-Core. Die MCUs sind für Temperaturen bis 125 °C spezifiziert und eignen sich daher für den Einsatz in rauen Umgebungen etwa in Industrie- oder Automotive-Applikationen.

Die Fertigung der „Entry“-Modelle übernimmt die Japan Semiconductor Corporation (JSC), eine hundertprozentige Toshiba-Tochter. Da Toshiba hier den gesamten Fertigungsprozess unter Kontrolle hat, hat man eine Innovation gewagt: Erstmals integriert Toshiba SONOS-Speicher in seine Controller. Das Anagramm steht für „Silizium-Oxid-Nitrid-Oxid-Silizium“ und beschreibt die unterschiedlichen Schichtmaterialien und -folgen, aus denen die Speicherzellen im CMOS-Prozess aufgebaut werden.

Gibt keinen Laut von sich: SONOS-Speicher ist ein Zwitter aus SRAM und Flash

Im Vergleich mit herkömmlichen NAND-Flash-Speichern soll SONOS Daten über einen längeren Zeitraum zuverlässig speichern können soll – die Rede ist von 100 Jahren und mehr. Darüber hinaus soll der Speicher auch häufiger wiederbeschreibbar sein, also eine bessere Endurance aufweisen. Dieselbe Technik kommt beispielsweise auch bei den nvSRAM-Speicherbausteinen des Dresdner Speicherherstellers Anvo-Systems zum Einsatz.

Eine SONOS-Speicherzelle besteht vereinfacht gesehen aus zwei übereinander gestapelten Bereichen: einer SRAM- und einer Flash-Zelle. Während bei anderen Speichern das isolierte, „floatende“ Gate aus Polysilizium besteht, kommt dafür bei SONOS Siliziumnitrid zum Einsatz. Beim Anschalten übernimmt das Array aus SRAM-Zellen die im Flash-Array gespeicherten Werte. Danach lässt sich der Speicher im normalen Betrieb wie gewöhnliches RAM verwenden. Per Befehl – oder wenn die Versorgungsspannung unter einen Mindestwert sinkt – übertragen alle SRAM-Zellen gleichzeitig ihre Werte innerhalb weniger Millisekunden ins Flash. Durch diesen Mechanismus ist es möglich, eine sehr hohe Endurance und Retention sicherzustellen. Begrenzt ist die Haltbarkeit der SONOS-Speicher in erster Linie durch die Flash-Zellen, die als „Single Level Cell“ (SLC) typischerweise gut 100.000 Schreib- und Lesezyklen mitmachen.

Speicher-IP von japanischem Start-Up

Toshiba hat bei der Entwicklung des SONOS-Speichers mit der Floadia Corporation zusammengearbeitet, einem 2011 in Tokio/Japan gegründetem Unternehmen. Konkret verwendet Toshiba die SONOS-Speicher-IP „G1“ von Floadia in seinen Mikrocontrollern. Das Unternehmen beschreibt seine Produkte als kosten- und energieeffiziente, leicht integrierbare („LEE“ für „Low Cost and Easily Embedded“) nichtflüchtige Embedded-Speicher-IP-Lösungen (eNVM, embedded non-volatile memory).

Nach eigenen Angaben nutzen alle Floadia-Produkte den „Fowler-Nordheim Tunneling“-(„FN Tunneling“-)Mechanismus zum Schreiben und Löschen von Daten. Damit lässt sich der gesamte Speicherbereich mit einer geringen elektrischen Leistung auf einmal programmieren – was in der Produktion die Testzeiten erheblich verkürzt. Zudem würden alle Speicher auch bei hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren und somit die Anforderungen beispielsweise der Automobilindustrie erfüllen. Zu Floadias Hauptkonkurrenten zählen Firmen wie Sidense (2017 von Synopsys gekauft), Kilopass (2018 von Synopsys akquiriert) und das gerade von Dialog Semiconductor übernommene Adesto.

Toshiba konzentriert sich auf Cortex-Cores von ARM, ergänzt um eigene IP-Blöcke

Mit seinen neuen MCUs konzentriert Toshiba seine Mikrocontroller-Strategie stärker als bislang auf Cortex-Cores von Prozessor-IP-Spezialist ARM. Diese sind in der Industrie weit verbreitet, da sie energieeffizient arbeiten und auch für Echtzeitsteuerungen geeignet sind. Toshiba rüstet seine MCUs mit eigenen IP-Blöcken aus, die sie für den Einsatz in Haushaltsgeräten, Industrie- und Antriebssteuerungen sowie für Geräte der Kommunikationstechnik und Datenverarbeitung fit machen sollen. Dazu zählen beispielsweise ein integrierter, hochpräziser Oszillator und ein Motor-Pre-Driver. Ein Single-Supply-Regler, der ohne externe Kondensatoren arbeitet, ist ebenfalls integriert. Dadurch lassen sich laut Hersteller Stückkosten und Platz auf der Leiterplatte sparen.

Die „Advanced“-Modelle haben laut Toshiba einen rund 30% geringeren dynamischen Stromverbrauch als die im 65-nm-Prozess gefertigten MCUs der bisherigen TXZ-Serie. Konkret hat Toshiba ermittelt, dass die MCUs der TXZxA+ Advanced Class 68µA/MHz Strom aufnehmen, während der Vergleichscontroller TMPM4G9F15FG 100µA/MHz benötigt. Zudem sollen bei Frequenzen von bis zu 200 MHz eine Rechenleistung von bis zu 254 Dhrystone-MIPS erreichen. Der Dhrystone-Test ist ein seit den 1980 populärer Benchmark für die Rechenleistung von Zentraleinheiten (CPU) und Anwendungsprogrammen. Er ist allerdings nicht mit der Angabe MIPS (Million Instructions Per Second) vergleichbar.

Software-Wiederverwendbarkeit im Fokus

Toshiba bewirbt seine TXZxA+ MCUs als „eine skalierbare Plattform mit modularem IP, die eine gemeinsame Register-Map verwendet, die das Software-Design und die Wiederverwendung von Code vereinfacht“. Verschiedene Gehäuse Profilen, die innerhalb einer Serie kompatibel sind, sollen das Leiterplattendesign erleichtern. Toshiba will die neuen MCUs auch in Gehäusen anbieten, die in ihrer Funktion Pin-kompatibel zu den bestehenden 65nm-TXZ-MCUs sind und Kunden somit den nahtlosen Übergang auf die neue MCU-Serie ermöglichen. Erste technische Muster sind für das 3. Quartal 2020 geplant, die Serienfertigung soll ab dem 2. Quartal 2021 anlaufen.

Die TXZxE+ Entry-Class umfasst hingegen MCUs für grundlegende Steuerungen. Toshiba gibt an, dass es „durch die Nutzung eigener Fertigungseinrichtungen die volle Kontrolle über alle Aspekte der Lieferkette hat – von der Entwicklung der Prozesstechnik bis hin zur Entwicklung, dem Design und der Fertigung der Bausteine“. Dadurch würden Kunden von kurzen Produktionszeiten, hoher Zuverlässigkeit und langfristiger Verfügbarkeit profitieren. Erste technische Muster sind laut Toshiba für das 2. Quartal 2020 geplant. Die Serienfertigung soll im 4. Quartal 2020 starten.

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