來源：愛集微APP
MCU停留在成熟制程太久了，久到在未來很長一段時(shí)間，都將擠壓本就捉襟見肘的成熟產(chǎn)能。最先進(jìn)MCU推進(jìn)至28nm便難以繼續(xù)——六大原廠意圖將難題拋給代工廠，但即使是先進(jìn)制程獨(dú)步全球的臺(tái)積電，也面臨瓶頸。
這也是為何三星拿下意法16nm MCU代工訂單的傳聞，幾乎要引起業(yè)內(nèi)地震。因?yàn)檫@將意味著當(dāng)前正不斷在先進(jìn)制程上挑戰(zhàn)臺(tái)積電的三星，已經(jīng)在MCU上穩(wěn)穩(wěn)站在臺(tái)積電的前面，也意味著一直以來制程推進(jìn)緩慢的MCU，將迎來新的發(fā)展格局。
雖然三星方面對(duì)該傳聞保持緘默，也尚未有更多細(xì)節(jié)被曝光，但從近年來嵌入式存儲(chǔ)的發(fā)展方向、三星多年的布局痕跡來看，有理由相信，新一代存儲(chǔ)技術(shù)——MRAM，可能正是三星MCU邁過28nm關(guān)卡、贏過臺(tái)積電的殺手锏。
20nm及以下制程 eMRAM或是MCU的主流選擇
在高度集成的MCU中，存儲(chǔ)模塊往往基于eNVM工藝被嵌入其中。這種嵌入式存儲(chǔ)雖然是在邏輯工藝平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)，但與邏輯工藝以及獨(dú)立存儲(chǔ)器工藝的差異甚大，由此帶來的制程推進(jìn)進(jìn)度差異，正是MCU邁向更先進(jìn)制程的最大掣肘——
在以臺(tái)積電為代表的先進(jìn)邏輯制程開始向2nm發(fā)出挑戰(zhàn)的當(dāng)下，Nor Flash仍在45nm徘徊，而作為當(dāng)前MCU最常用的存儲(chǔ)解決方案，eFlash被臺(tái)積電推進(jìn)至22nm，似乎也已達(dá)到了極限，這使其在MCU上的面積占比越來越高，幾乎“反客為主”。
一方面，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器正面臨越來越嚴(yán)峻的微縮挑戰(zhàn)，DRAM接近微縮極限，NAND/NOR Flash已轉(zhuǎn)而朝3D方向轉(zhuǎn)型；另一方面，與傳統(tǒng)邏輯工藝相較，eFlash制造中需要多加9-12層光罩，不僅增加成本，并且還有寫入速度緩慢、不耐用等缺點(diǎn)。
以上種種均表明，MCU想要在28nm及以下制程繼續(xù)推進(jìn)，必須“棄車保帥”。在eFlash、eDRAM、SRAM等諸多存儲(chǔ)解決方案幾乎均面臨相似困境的情況下，與前三者在底層運(yùn)行邏輯上有根本區(qū)別的MRAM，逐漸成為大廠的主流選擇。
MRAM是一種非易失性解決方案，與以電荷形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的Flash以及DRAM不同，MRAM的技術(shù)原理是利用電子的自旋特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，核心存儲(chǔ)器件為MTJ（ magnetic tunnel junction，磁性隧道結(jié)），由兩個(gè)鐵磁薄膜和一個(gè)薄屏障組成的。
這種差異給MRAM帶來的優(yōu)越性在于：寫入新數(shù)據(jù)前不必執(zhí)行擦除周期，速度比Flash快1000倍，數(shù)據(jù)保存時(shí)間長，適用于高性能應(yīng)用，且也比傳統(tǒng)的存儲(chǔ)介質(zhì)耗能更低。而更為重要的是，其制程則可推進(jìn)至10nm以下，滿足MCU進(jìn)一步微縮的要求。
在MCU中，eMRAM（即嵌入式MRAM）在保證其大小與eFlash相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，僅需要增加額外的2或3個(gè)掩膜層，更容易被添加到CMOS裸片中，并且，成熟的磁學(xué)物理理論、簡單可控的寫入機(jī)制，使其具備更高的技術(shù)成熟度，能夠與先進(jìn)邏輯工藝無縫融合。
市調(diào)機(jī)構(gòu)Yole Development曾預(yù)測稱，MRAM作為下一代非易失性存儲(chǔ)器的替代者，到2024年市場規(guī)模將較2018年增加40倍達(dá)到17.8億美元，其中eMRAM將增長到12億美元，而獨(dú)立MRAM的5.8億美元稍微落后于eMRAM。
6年40倍的驚人增速背后，幾大代工巨頭功不可沒。巧合的是，越來越針鋒相對(duì)的三星和臺(tái)積電，當(dāng)初幾乎在同一時(shí)刻對(duì)MRAM出了手。2002年，臺(tái)積電與中國臺(tái)灣地區(qū)工研院簽訂了MRAM合作發(fā)展計(jì)劃，而三星也在這一年開始了MRAM的開發(fā)計(jì)劃。
與兩者在其他領(lǐng)域的比拼往往以三星追趕為基調(diào)不同，作為當(dāng)前全球存儲(chǔ)器寡頭，三星在存儲(chǔ)技術(shù)上自然更占優(yōu)勢。或許也正是由于此，三星的MRAM進(jìn)擊之路，比臺(tái)積電走得更為激進(jìn)。更令人驚訝的是，除了三星，臺(tái)積電的最大競爭對(duì)手，還有“代工老三”格芯。
借力意法FD-SOI 三星eMRAM進(jìn)駐MCU早有計(jì)劃
說到這里，對(duì)于為什么說三星16nm MCU的關(guān)鍵在于MRAM技術(shù)，已經(jīng)解釋了一半，即進(jìn)入20nm以下領(lǐng)域，除了eMRAM暫無他法。另一半則在于，三星在MRAM技術(shù)上的布局由來已久，而以eMRAM搶下MCU代工訂單的圖謀，也有跡可循。
在2002年開啟MRAM研發(fā)工作后，三星在2005年又率先開始了STT-MRAM的研發(fā)，該技術(shù)后來被證明可以滿足高性能計(jì)算領(lǐng)域?qū)ψ詈笠患?jí)緩存的性能要求，被認(rèn)為是MRAM突破利基市場的利器，已成為包括臺(tái)積電在內(nèi)的代工廠攻克MRAM的主要方向。
在此之后，成本和工藝的限制，讓三星的MRAM研發(fā)逐漸走向低調(diào)，在這期間，與FinFET技術(shù)齊名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半導(dǎo)體為代表的歐洲半導(dǎo)體科研機(jī)構(gòu)和公司相繼迎來技術(shù)突破，快速發(fā)展，為MRAM的商業(yè)化應(yīng)用埋下了伏筆。
2014年，三星與意法半導(dǎo)體簽訂28nm FD-SOI技術(shù)多資源制造全方位合作協(xié)議，授權(quán)三星在芯片量產(chǎn)中利用意法半導(dǎo)體的FD-SOI技術(shù)。也是在這一年，三星成功生產(chǎn)了8Mb eMRAM，并利用28nmFDS，在2019年成功量產(chǎn)首款商用eMRAM。
據(jù)三星介紹，利用其28nmFDS工藝技術(shù)制作的eMRAM模塊，只要增加3個(gè)掩模，就可以集成到芯片制造過程的后端。因此，該模塊被允許插入使用批量、FinFET或FD-SOI制造工藝生產(chǎn)的芯片中，而不一定取決于所使用的前端制造技術(shù)。
由此也可以看出，三星與意法半導(dǎo)體早已在eMRAM領(lǐng)域進(jìn)行了深入的綁定，由此推測三星憑借eMRAM技術(shù)拿下意法半導(dǎo)體16nm MCU外包訂單也順理成章。另外，從三星近年來的對(duì)外發(fā)言中也可知，其對(duì)eMRAM應(yīng)用至MCU早有計(jì)劃。
2017年，三星與NXP達(dá)成代工合同，從這一年起，NXP的IoT SoC i.MX系列將通過三星28nm FD-SOI工藝批量生產(chǎn)，并計(jì)劃2018年將三星的eMRAM嵌入式存儲(chǔ)器技術(shù)將用于下一代SoC和MCU，NXP也由此成為三星MCU代工的首個(gè)客戶。
2019年，在三星推出首款商用eMRAM的同時(shí)即表示，MCU將是eMRAM的主要應(yīng)用方向之一，未來將繼續(xù)擴(kuò)大其嵌入式非易失性內(nèi)存產(chǎn)品，其中包括1gb eMRAM測試芯片，并計(jì)劃使用其18FDS工藝制造eMRAM，以及更先進(jìn)的基于FinFET的節(jié)點(diǎn)。
今年年初，三星宣布將改進(jìn)其MRAM的MTJ功能，使其適合更多的應(yīng)用。而在10月舉行的第五屆年度三星代工論壇上，三星進(jìn)一步表示，其正在推進(jìn)其14nm工藝，下一代eMRAM的目標(biāo)是MCU、物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴設(shè)備等應(yīng)用。
三星、格芯搶占先機(jī) MRAM競爭態(tài)勢撲朔迷離
與三星的“咄咄逼人”相比，臺(tái)積電在MRAM的聲量不大，起碼相對(duì)于其在邏輯制程上的迅猛突破，其MRAM優(yōu)勢并不突出，但這并不代表臺(tái)積電不重視，占據(jù)七成MCU代工市場，已經(jīng)讓臺(tái)積電成為六大原廠之外，最重視MCU制造的大廠之一。
在2018年啟動(dòng)MRAM芯片的“風(fēng)險(xiǎn)量產(chǎn)”后，臺(tái)積電又在ISSCC 2020上發(fā)布了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM，已完成技術(shù)驗(yàn)證、進(jìn)入量產(chǎn)，并將持續(xù)推進(jìn)更先進(jìn)制程的開發(fā)，以支持下世代嵌入式存儲(chǔ)MCU等應(yīng)用。
當(dāng)時(shí)其進(jìn)一步透露，正為其16nm FinFET平臺(tái)開發(fā)MRAM技術(shù)，預(yù)計(jì)2021年第四季度開始提供類似閃存的配置風(fēng)險(xiǎn)生產(chǎn)。后一計(jì)劃在今年又有了更為激進(jìn)的轉(zhuǎn)變，臺(tái)積電在5月舉行的存儲(chǔ)峰會(huì)上表示，正尋求開發(fā)14/12nm的eMRAM。
臺(tái)積電的轉(zhuǎn)變，很難說是不是受到三星的刺激。但可以肯定的是，臺(tái)積電MRAM所受到的威脅，絕不僅僅來自于三星。一直以成熟制程代工為主的格芯，在MRAM的技術(shù)積累上，意外地與三星、臺(tái)積電“齊頭并進(jìn)”，甚至有領(lǐng)先的趨勢。
2017年，時(shí)任格芯首席技術(shù)官的Gary Patton透露，公司已在22nm制程的FD-SOI工藝技術(shù)（22nm FDX）中提供了MRAM，這讓其成為少數(shù)幾家公開宣布在2017年底前至2018年量產(chǎn)MRAM的代工廠之一，也成功吸引了意法半導(dǎo)體的注意。
2018年1月，意法半導(dǎo)體公司選定格芯22nm FDX技術(shù)平臺(tái)，為其新一代工業(yè)和消費(fèi)應(yīng)用的處理器解決方案提供支持。在此之前，意法半導(dǎo)體提供的FD-SOI已成功幫助三星生產(chǎn)了eMRAM，這更加意味著格芯的MRAM技術(shù)，或許比想象得更加領(lǐng)先。
在隨后的2019年，格芯正是宣布其基于22nm FDX平臺(tái)的eMRAM投入生產(chǎn)?？蓪?shù)據(jù)保持在-40到+125°C的溫度范圍內(nèi)，壽命周期可以達(dá)到100,000，數(shù)據(jù)保留時(shí)間達(dá)到10年。格芯當(dāng)時(shí)還表示，正與多個(gè)客戶合作，計(jì)劃在2020年安排多次流片。
此外，近期意圖重拾代工大業(yè)的英特爾，也對(duì)MRAM有所準(zhǔn)備，其于2018年首次推出了一款基于22nm FinFET制程的STT-MRAM，并透露，其eMRAM技術(shù)可在200℃下實(shí)現(xiàn)長達(dá)10年的記憶期，并可在超過106個(gè)開關(guān)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)持久性。
由此，全球代工前四大巨頭均已做好MRAM起跑姿勢，在臺(tái)積電意外喪失先發(fā)優(yōu)勢、三星和格芯拿下主動(dòng)權(quán)的背景之下，未來競爭格局如何，變得更加撲朔迷離。
