车载MCU芯片，也要拼制程了

最近，ST宣布全新STM32即将采用18nm FD-SOI工艺的嵌入式相变存储器 （ePCM），并将于2024下半年开始向部分客户出样片。这意味着ST率先将MCU突破20nm壁垒。

关于制程，很多工程师都存在疑问：为什么手机芯片都3nm/2nm了，MCU却很少用制程升级性能。其实，MCU也需要通过制程升级性能，只不过，在此之前需要更换存储技术。

MCU制程，被eFlash锁死

不能怪MCU不努力，只能说eFlash（嵌入式闪存）技术拖垮了MCU。

 

很多人都发现，最近几年MCU一直在40nm徘徊。事实上，MCU内存存储非易失性存储器 （eNVM）从EPROM/OTP到eFlash，早已是二十多年前的事。

 

上世纪90年代，凭借着可编程性、非易失性和片内嵌入性，eFlash在彼时价值数十亿美元的MCU行业开启了“eFlash创新”时代。从1991年开始的0.8微米技术节点，eFlash技术已与标准CMOS逻辑技术相结合，使MCU在2015年就达到了28nm的产品水平。

 

2016年，瑞萨开发出全球首款分离闸金属氧化氮氧化硅（SG-MONOS）闪存单元，虽然彼时这项技术直指16nm～14nm及以上的片上闪存MCU。但现在，这项技术更多为瑞萨的40nm MCU服务。

 

而此后，随之而来的16nm FinFET、FD-SOI等技术，让它渐渐跟不上时代节奏。可以说，eFlash作为MCU片上的老兵，虽然行业已经利用浮栅、SONOS或SG-MONOS等技术开发了多代产品，但在面对更为复杂的需求时，包括更高的性能功耗比、更高的存储密度、数字电路密度等，也是“廉颇老矣”。

 

存储器行业普遍认为，28nm/22nm硅光刻节点将是eFlash的最后一个经济高效的技术节点。

这并非因为可扩展性限制，而是考虑到成本和工艺的结果：

 

第一，制造28nm及以下的eFlash需要9～12层甚至更多层掩模，40nm以上eFlash最少只需要4层掩模，而对比起来eMRAM这种新型存储只需要3层额外掩模。要知道，MCU总共就四五十层，十多层的成本明显是与MCU不匹配的。所以，制造28nm以下的eFlash是不具备性价比的，更何况是要放进追求极致性价比的MCU。

 

第二，更高的eFlash工艺节点会带来可靠性问题。随着器件规模超过40nm，eFlash系统的可靠性不仅受到eFlash存储单元的限制，还受到外围晶体管和金属互连的限制。随着晶体管器件中和金属互连之间的氧化膜越来越薄，其瞬态介电击穿 （TDDB） 寿命严重下降，这对先进的 eFlash 设计提出了巨大挑战。要知道，eFlash本身正因为其极强的可靠性，才会占据MCU半壁江山，这等于是消除了它最大的优点。

 

第三，难以与先进的逻辑工艺集成。比如说高k金属栅、FD-SOI、FinFET将对eFlash结构和CMOS兼容性产生影响，相反，新型存储例如MRAM、RRAM，结构几乎不受低层CMOS结构影响。再比如，SONOS、纳米点、减薄浮动栅极等薄膜存储结构技术在28nm以上节点更具优势。

 

除了提高制程，eFlash本身在面对高算力时，过往的优点也变成了问题。比如说，eFlash一直是高密度、片上非易失性内存（NVM）的一个常规和主要来源，但是对小型电池供电应用来说，eFlash会占用太多的系统功耗预算。再比如，仅支持页面/块级擦除，无法进行字节写入，因而成为昂贵的高功率解决方案。又比如，在汽车应用中，集成到板载MCU中的eFlash的可重写次数太少，随着每次写入和擦除周期，浮栅NOR单元中的隧道氧化物会退化，漏电会增加，从而加速eFlash的老化。

 

最近，也很少有机构去研究eFlash了，因为现在eFlash产品技术已经几近停滞状态，主要参与者包括台积电（40nm）、联电（28nm）、三星（45nm）以及意法半导体、英飞凌这种IDM厂商。虽然大多厂商都或多或少尝试过28nm/22nm以及更高制程，不过几乎很难用在MCU上。

 

 

新型存储，打破28nm那堵墙

在过去，即便是40nm抑或是90nm的eFlash，都足够MCU使用。

 

随着市场需求越来越复杂，MCU逐渐向200MHz以上主频、低功耗和大容量存储方向发展，加之多核异构需求，其片上的大多器件制程也需要压到28nm以下，eFlash的制程限制就越来越明显了。

 

从汽车MCU片上闪存的性能和容量趋势来看，整体MCU的性能要求在10年内增长了约20倍，每年35%，这是由架构演进，如高速缓存存储器的使用和多核CPU的实现，eFlash速度提高支持。器件扩展可靠性设计等。与此同时，片上ROM容量以每年23%的速度增长。

所以厂商们纷纷寻求解药，那就是新型存储——潜在技术包括eMRAM、eRRAM（eReRAM）、ePCM、eFeRAM。这些技术能够显著提高MCU性能，降低整体功耗。

当然，也不是说eFlash就没用了，只能说eFlash已经足够成熟，未来eFlash的MCU和新型存储的MCU将会是截然不同的两条赛道。

目前，市场共有三种新型存储器已经开始用在MCU内——RRAM（阻变存储）、MRAM/STT-MRAM（磁性存储器）、PCM（PCRAM，相变存储器）。

 

当然做进MCU，它们之前也就都加了一个e（Embedded，嵌入式），即eRRAM、eMRAM、ePCM。

 

第一种是RRAM（阻变存储），英飞凌是在这条路线上的最大玩家。英飞凌与台积电合作的为28nm eRRAM。

 

第二种是MRAM/STT-MRAM（磁性存储器），瑞萨和恩智浦是主要推进者。恩智浦与台积电合作的为16nm FinFET eMRAM，瑞萨开发的则是22nm eSTT-MRAM。

 

第三种是PCM（PCRAM，相变存储器），意法半导体是主要推进者。意法半导体此前与三星合作的为28nm FD-SOI ePCM，最近则升级到18nm FD-SOI ePCM。

 

通过上述不同玩家布局可以看出，制程均已突破28nm，瞄准市场则主要是汽车领域。而上述技术理论工艺节点均可达5nm。不仅如此，更换了eFlash，不仅让节点更进一步，也带来了更多工艺，这其中就包括了FD-SOI和FinFET。

不可避免的代差

虽说MCU的制程已经逐渐跟上了时代的脚步，那它会不断追求非常高的先进制程吗？那可能不会。

事实上，从历史来看，嵌入在MCU的存储一直以来都与时下最先进的光刻工艺存在代差。根据工程师的分享，其中原因是多方面的。

第一，先进工艺量产成本很高，市场决定需求，需求驱动市场，业界很少用贵MCU做产品，MCU的价和量也很难抢到先进工艺，手机、显卡这些高价值芯片更会是先进工艺的第一批用户。打个比方来说，一年房车卖不了几辆，新车研发就比较慢。

 

第二，MCU迫切换代需求没那么高。毕竟MCU直到现在，90nm抑或是40nm都能满足大部分需求，上面所说的18nm FD-SOI ePCM MCU、28nm eRRAM MCU应对的更多是汽车市场的新需求。所以说，MCU领域一直更偏向改内部装潢，而不是直接把整个房子都翻修，只有在市场需求达到一定量级，才会迈出新一步。

 

第三，相比MCU来说，也有很多变通方案。有时候大家已经开始选择成本较优的嵌入式产品或SoC，比如说大火的全志T113。更有甚者，还会按照Intel做Ultra处理器的方式，在封装时塞入 IO、处理器、RAM、ROM以及各种小die。

 

总结起来，就是有钱就能做出更先进的产品，而现在最先发生改变的，就是汽车领域。当然，相信未来，随着AI需求的扩大，下游智能设备的改变，新型存储成本和技术成熟度不断向前推进，未来新型存储也会逐渐扩展到整个MCU领域。而届时，整个MCU的制程也将进一步向前推进。

参考资料

[1] ST：https://newsroom.st.com/media-center/press-item.html/c3244.html

[2] Synopsps：https://www.synopsys.com/zh-cn/designware-ip/technical-bulletin/future-nvm-memories.html

[3] Synopsps：https://www.synopsys.com/zh-cn/blogs/chip-design/what-is-emram.html

[4] Global Foudries：https://mp.weixin.qq.com/s/GKkHdm3iTJZkOPvxoSLOMA

[5] 知乎：https://www.zhihu.com/question/648650264

[6] 芯生活SEMI Businessweek：https://mp.weixin.qq.com/s/vFv3Q26WEqgaOwOWNtu5IQ

[7] Flash Memory Summit：https://www.flashmemorysummit.com/Proceedings2019/08-06-Tuesday/20190806_CHNA-101-1_Yang.pdf

[8] Y. Taito et al., "7.3 A 28nm embedded SG-MONOS flash macro for automotive achieving 200MHz read operation and 2.0MB/S write throughput at Ti, of 170°C," 2015 IEEE International Solid-State Circuits Conference - (ISSCC) Digest of Technical Papers, San Francisco, CA, USA, 2015, pp. 1-3, doi: 10.1109/ISSCC.2015.7062961.

[9] Hidaka, Hideto, ed. Embedded flash memory for embedded systems: technology, design for sub-systems, and innovations. Springer, 2017.

[10] Any Silicon：https://anysilicon.com/mram-a-promise-beyond-eflash/

[11] Astroys：https://mp.weixin.qq.com/s/CaJt62nooMY8ejvIzwXt5Q