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