车载式MCU芯片，也要拼工艺

最近，ST宣布将选择18nm的新STM32。 FD-内嵌式改变SOI技术的存储器（ePCM），并且将于2024年下半年开始向部分客户制作样片。这意味着ST率先突破MCU20nm堡垒。

对于工艺，很多工程师都有疑问：为什么手机芯片都是3nm/2nm，MCU却很少使用工艺升级性能。事实上，MCU也需要通过工艺升级性能，但是，在此之前，需要更换存储系统。

eFlash锁定了MCU工艺。

不能怪MCU不努力，只能说eFlash(嵌入式闪存)技术拖累了MCU。

许多人发现，MCU近年来一直徘徊在40nm。事实上，MCU内存存储非易失性存储器（eNVM）从EPROM/OTP到eFlash，已经是二十多年前的事了。

在90年代，eFlash以其可编程性、非易失性和片内嵌入性，开启了当时价值数十亿美元的MCU产业“eFlash创新”时代。0.81年开始μ在m技术节点，eFlash技术已经与标准CMOS逻辑技术相结合，使得MCU在2015年达到了28nm的商品水平。

2016年，瑞萨开发了世界上第一款金属氧化氮氧化硅分离闸。（SG-MONOS）闪存模块，虽然当时这种技术直接指向16nm～MCU在14nm及以上的电影上闪存。但是现在，这项技术更多的是瑞萨的40nm。 MCU服务。

从那以后，16nm随之而来。 FinFET、FD-SOI等技术使它逐渐跟不上时代的节奏。虽然行业已经使用了浮栅、SONOS或者SONOS，但可以说eFlash是MCU电影中的老手。SG-MONOS等科学研究开发了多代商品，但在面对更复杂的需求时，它还包括更高的性能功耗比、更高的存储密度、数字电路密度等。，这也是“廉颇老”。

存储业广泛认为，28nm/22nm硅光刻节点将是EFlash最后一个经济高效的技术节点。

考虑到成本和工艺的结果，这并不是因为可扩展性的限制：

首先，制造28nm及以下eFlash需要9～12层甚至更多层掩模，超过40nm的eFlash至少只需要4层掩模，而与eMRAM相比，这种新型存储只需要3层额外的掩模。要知道，MCU总共有四五十层，十层以上的成本显然与MCU不匹配。所以，制造低于28nm的eFlash并不具有性价比，更不用说放入追求极致性价比的MCU了。

其次，更高的eFlash工艺节点会带来可靠性问题。EFlash系统的可靠性不仅受到EFlash存储单元的限制，而且受到外围晶体管与金属互连的限制，因此设备规模超过40nm。由于晶体管设备中合金属连接之间的氧化膜越来越薄，其临时介电击穿（TDDB）使用寿命严重下降，这是先进的。 eFlash 设计面临着巨大的挑战。要知道，EFlash本身正是由于其极强的可靠性，才会占据MCU的半壁江山，这样就消除了它最大的优势。

三是难以与先进的思维技术融合。例如高k金属栅，FD-SOI、FinFET会影响eFlash结构与CMOS的兼容性，相反，MRAMMOS等新型存储、RRAM，结构几乎不受低层CMOS结构的影响。例如，SONOS、在28nm以上的节点中，纳米点、薄化波动栅极等薄膜存储结构技术更具优势。

EFlash本身在面对高计算能力时，除了提高制度之外，过去的优势也成了问题。例如，eFlash一直都是高密度的，电影上的非易失性内存。（NVM）一种常规和来源，但对于小型电池供电应用程序来说，eFlash会占用过多的系统功耗预算。例如，仅支持页面/块级擦除，不能进行字节写入，因此成为一种昂贵的大功率解决方案。例如，在汽车应用中，集成到板载MCU中的eFlash可以重写的次数太少，随着每一次写入和擦除周期，浮栅NOR模块中的隧道氧化物都会下降，漏电也会增加，从而加速eFlash的老化。

最近，很少有机构去探索eFlash，因为目前eFlash产品技术几乎停滞不前，主要参与者包括台积电(40nm)、联电(28nm)、三星(45nm)、意法半导体、英飞凌等IDM制造商。虽然大多数制造商或多或少都尝试过28nm/22nm和更高的工艺，但在MCU上几乎很难使用。

新的存储，打破28nm那堵墙

以前，即使是40nm或90nm的eFlash，也足够MCU使用。

由于市场需求日益复杂，MCU逐渐发展到主频、低功耗、大容量存储等200MHz以上，再加上多核异构需求，其片上的大部分设备制造工艺也需要压在28nm以下，EFlash的工艺限制日益明显。

从汽车MCU电影中闪存的性能和容量趋势来看，MCU的整体性能要求在10年内增加了20倍左右，每年增加35%，这是由结构演变而来的，比如高速缓存存储器的使用和多核CPU的实现，以及eFlash速度的提高。设备扩展可靠性设计等。与此同时，电影中的ROM容量以每年23%的速度增长。

所以厂家纷纷寻找解药，即新的存储-包括eMRAMRAMR在内的潜在技术、eRRAM（eReRAM）、ePCM、eFeRAM。这一技术可以显著提高MCU性能，降低整体功耗。

当然，这并不意味着eFlash没有用。我们只能说eFlash已经足够成熟了。未来，eFlash的MCU和新储存的MCU将是两条完全不同的跑道。

当前，MCU已开始在市场上使用三种新型存储器。——RRAM(阻变存储)、MRAM/STT-MRAM(磁性存储器)、PCM（PCRAM，改变存储器)。

当然，进入MCU之前，他们都加了一个e。（Embedded，内嵌)，即eRRAM、eMRAM、ePCM。

首先是RRAM(阻变存储)，英飞凌是这条路线上最大的玩家。英飞凌与台积电合作28nm eRRAM。

其次是MRAM//STT-MRAM(磁性存储器)，瑞萨和恩智浦是主要推动者。与台积电合作的恩智浦是16nm。 FinFET eMRAM，瑞萨的发展是22nm。 eSTT-MRAM。

PCM是第三种（PCRAM，改变存储器)，意法半导体是主要推动者。之前与三星合作的意法半导体是28nm。 FD-SOI ePCM，最近升级到18nm FD-SOI ePCM。

从上述不同玩家的布局可以看出，工艺已经超过28nm，看市场主要是汽车领域。。而且上面提到的技术理论工艺节点都可以达到5nm。不仅如此，更换eFlash不仅使节点更进一步，而且带来了更多的技术，包括FD-SOI和FinFET。

代差是不可避免的

尽管MCU的工艺已逐渐跟上时代的步伐，那么它是否会继续追求很高的先进工艺？那么也许不会。

事实上，从历史上看，嵌入式MCU的存储一直与目前最先进的光刻技术不同。根据工程师的分享，原因有很多。

一是先进技术量产成本高，市场决定需求，需求驱动市场。行业内很少使用昂贵的MCU作为产品，MCU的价格和数量也很难抢到先进技术。手机、显卡等高价值芯片将是第一批先进技术的客户。比如一年卖不出几辆房车，新车的研发会比较慢。

其次，对MCU的急切换代要求并不高。归根结底，直到现在，90nm或40nm都可以满足大多数需求，上面提到的18nm。 FD-SOI ePCM MCU、28nm eRRAM MCU更多地应对汽车市场的新需求。因此，MCU领域一直更倾向于改变内部装修，而不是直接翻新整个房子。只有当市场需求达到一定水平时，才会迈出新的一步。

第三，与MCU相比，有很多灵活的解决方案。有时候人们已经开始选择成本更高的嵌入式产品或者SoC，比如火灾的全志T113。更有甚者，它会在包装过程中按照Intel作为Ultra处理器塞进去。 IO、Cpu、RAM、ROM和各种小die。

综上所述，如果你有钱，你可以做出更先进的产品，但现在最先改变的是汽车领域。当然，我相信未来，随着AI需求的扩大和下游智能设备的变化，新的存储成本和技术成熟度将继续前进，未来新的存储将逐步扩展到整个MCU领域。届时，整个MCU工艺将进一步推进。

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] 核心生活SEMI Businessweek：https://mp.weixin.qq.com/s/vFv3Q26WEqgaOwOWNtu5IQ26

[7] Flash Memory Summit：https://www.flashmemorysummit.com08-06/Proceedings2019-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/sCaJt62nooMY8ejvIzwXt5Q

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