最近，ST宣布將選擇18nm的新STM32。 FD-內(nèi)嵌式改變SOI技術(shù)的存儲(chǔ)器（ePCM），并且將于2024年下半年開始向部分客戶制作樣片。這意味著ST率先突破MCU20nm堡壘。

對(duì)于工藝，很多工程師都有疑問：為什么手機(jī)芯片都是3nm/2nm，MCU卻很少使用工藝升級(jí)性能。事實(shí)上，MCU也需要通過工藝升級(jí)性能，但是，在此之前，需要更換存儲(chǔ)系統(tǒng)。

eFlash鎖定了MCU工藝。

不能怪MCU不努力，只能說eFlash(嵌入式閃存)技術(shù)拖累了MCU。

許多人發(fā)現(xiàn)，MCU近年來一直徘徊在40nm。事實(shí)上，MCU內(nèi)存存儲(chǔ)非易失性存儲(chǔ)器（eNVM）從EPROM/OTP到eFlash，已經(jīng)是二十多年前的事了。

在90年代，eFlash以其可編程性、非易失性和片內(nèi)嵌入性，開啟了當(dāng)時(shí)價(jià)值數(shù)十億美元的MCU產(chǎn)業(yè)“eFlash創(chuàng)新”時(shí)代。0.81年開始μ在m技術(shù)節(jié)點(diǎn)，eFlash技術(shù)已經(jīng)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯技術(shù)相結(jié)合，使得MCU在2015年達(dá)到了28nm的商品水平。

2016年，瑞薩開發(fā)了世界上第一款金屬氧化氮氧化硅分離閘。（SG-MONOS）閃存模塊，雖然當(dāng)時(shí)這種技術(shù)直接指向16nm～MCU在14nm及以上的電影上閃存。但是現(xiàn)在，這項(xiàng)技術(shù)更多的是瑞薩的40nm。 MCU服務(wù)。

從那以后，16nm隨之而來。 FinFET、FD-SOI等技術(shù)使它逐漸跟不上時(shí)代的節(jié)奏。雖然行業(yè)已經(jīng)使用了浮柵、SONOS或者SONOS，但可以說eFlash是MCU電影中的老手。SG-MONOS等科學(xué)研究開發(fā)了多代商品，但在面對(duì)更復(fù)雜的需求時(shí)，它還包括更高的性能功耗比、更高的存儲(chǔ)密度、數(shù)字電路密度等。，這也是“廉頗老”。

存儲(chǔ)業(yè)廣泛認(rèn)為，28nm/22nm硅光刻節(jié)點(diǎn)將是EFlash最后一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

考慮到成本和工藝的結(jié)果，這并不是因?yàn)榭蓴U(kuò)展性的限制：

首先，制造28nm及以下eFlash需要9～12層甚至更多層掩模，超過40nm的eFlash至少只需要4層掩模，而與eMRAM相比，這種新型存儲(chǔ)只需要3層額外的掩模。要知道，MCU總共有四五十層，十層以上的成本顯然與MCU不匹配。所以，制造低于28nm的eFlash并不具有性價(jià)比，更不用說放入追求極致性價(jià)比的MCU了。

其次，更高的eFlash工藝節(jié)點(diǎn)會(huì)帶來可靠性問題。EFlash系統(tǒng)的可靠性不僅受到EFlash存儲(chǔ)單元的限制，而且受到外圍晶體管與金屬互連的限制，因此設(shè)備規(guī)模超過40nm。由于晶體管設(shè)備中合金屬連接之間的氧化膜越來越薄，其臨時(shí)介電擊穿（TDDB）使用壽命嚴(yán)重下降，這是先進(jìn)的。 eFlash 設(shè)計(jì)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。要知道，EFlash本身正是由于其極強(qiáng)的可靠性，才會(huì)占據(jù)MCU的半壁江山，這樣就消除了它最大的優(yōu)勢。

三是難以與先進(jìn)的思維技術(shù)融合。例如高k金屬柵，F(xiàn)D-SOI、FinFET會(huì)影響eFlash結(jié)構(gòu)與CMOS的兼容性，相反，MRAMMOS等新型存儲(chǔ)、RRAM，結(jié)構(gòu)幾乎不受低層CMOS結(jié)構(gòu)的影響。例如，SONOS、在28nm以上的節(jié)點(diǎn)中，納米點(diǎn)、薄化波動(dòng)?xùn)艠O等薄膜存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)技術(shù)更具優(yōu)勢。

EFlash本身在面對(duì)高計(jì)算能力時(shí)，除了提高制度之外，過去的優(yōu)勢也成了問題。例如，eFlash一直都是高密度的，電影上的非易失性內(nèi)存。（NVM）一種常規(guī)和來源，但對(duì)于小型電池供電應(yīng)用程序來說，eFlash會(huì)占用過多的系統(tǒng)功耗預(yù)算。例如，僅支持頁面/塊級(jí)擦除，不能進(jìn)行字節(jié)寫入，因此成為一種昂貴的大功率解決方案。例如，在汽車應(yīng)用中，集成到板載MCU中的eFlash可以重寫的次數(shù)太少，隨著每一次寫入和擦除周期，浮柵NOR模塊中的隧道氧化物都會(huì)下降，漏電也會(huì)增加，從而加速eFlash的老化。

最近，很少有機(jī)構(gòu)去探索eFlash，因?yàn)槟壳癳Flash產(chǎn)品技術(shù)幾乎停滯不前，主要參與者包括臺(tái)積電(40nm)、聯(lián)電(28nm)、三星(45nm)、意法半導(dǎo)體、英飛凌等IDM制造商。雖然大多數(shù)制造商或多或少都嘗試過28nm/22nm和更高的工藝，但在MCU上幾乎很難使用。

新的存儲(chǔ)，打破28nm那堵墻

以前，即使是40nm或90nm的eFlash，也足夠MCU使用。

由于市場需求日益復(fù)雜，MCU逐漸發(fā)展到主頻、低功耗、大容量存儲(chǔ)等200MHz以上，再加上多核異構(gòu)需求，其片上的大部分設(shè)備制造工藝也需要壓在28nm以下，EFlash的工藝限制日益明顯。

從汽車MCU電影中閃存的性能和容量趨勢來看，MCU的整體性能要求在10年內(nèi)增加了20倍左右，每年增加35%，這是由結(jié)構(gòu)演變而來的，比如高速緩存存儲(chǔ)器的使用和多核CPU的實(shí)現(xiàn)，以及eFlash速度的提高。設(shè)備擴(kuò)展可靠性設(shè)計(jì)等。與此同時(shí)，電影中的ROM容量以每年23%的速度增長。

所以廠家紛紛尋找解藥，即新的存儲(chǔ)-包括eMRAMRAMR在內(nèi)的潛在技術(shù)、eRRAM（eReRAM）、ePCM、eFeRAM。這一技術(shù)可以顯著提高M(jìn)CU性能，降低整體功耗。

當(dāng)然，這并不意味著eFlash沒有用。我們只能說eFlash已經(jīng)足夠成熟了。未來，eFlash的MCU和新儲(chǔ)存的MCU將是兩條完全不同的跑道。

當(dāng)前，MCU已開始在市場上使用三種新型存儲(chǔ)器?！猂RAM(阻變存儲(chǔ))、MRAM/STT-MRAM(磁性存儲(chǔ)器)、PCM（PCRAM，改變存儲(chǔ)器)。

當(dāng)然，進(jìn)入MCU之前，他們都加了一個(gè)e。（Embedded，內(nèi)嵌)，即eRRAM、eMRAM、ePCM。

首先是RRAM(阻變存儲(chǔ))，英飛凌是這條路線上最大的玩家。英飛凌與臺(tái)積電合作28nm eRRAM。

其次是MRAM//STT-MRAM(磁性存儲(chǔ)器)，瑞薩和恩智浦是主要推動(dòng)者。與臺(tái)積電合作的恩智浦是16nm。 FinFET eMRAM，瑞薩的發(fā)展是22nm。 eSTT-MRAM。

PCM是第三種（PCRAM，改變存儲(chǔ)器)，意法半導(dǎo)體是主要推動(dòng)者。之前與三星合作的意法半導(dǎo)體是28nm。 FD-SOI ePCM，最近升級(jí)到18nm FD-SOI ePCM。

從上述不同玩家的布局可以看出，工藝已經(jīng)超過28nm，看市場主要是汽車領(lǐng)域。。而且上面提到的技術(shù)理論工藝節(jié)點(diǎn)都可以達(dá)到5nm。不僅如此，更換eFlash不僅使節(jié)點(diǎn)更進(jìn)一步，而且?guī)砹烁嗟募夹g(shù)，包括FD-SOI和FinFET。

代差是不可避免的

盡管MCU的工藝已逐漸跟上時(shí)代的步伐，那么它是否會(huì)繼續(xù)追求很高的先進(jìn)工藝？那么也許不會(huì)。

事實(shí)上，從歷史上看，嵌入式MCU的存儲(chǔ)一直與目前最先進(jìn)的光刻技術(shù)不同。根據(jù)工程師的分享，原因有很多。

一是先進(jìn)技術(shù)量產(chǎn)成本高，市場決定需求，需求驅(qū)動(dòng)市場。行業(yè)內(nèi)很少使用昂貴的MCU作為產(chǎn)品，MCU的價(jià)格和數(shù)量也很難搶到先進(jìn)技術(shù)。手機(jī)、顯卡等高價(jià)值芯片將是第一批先進(jìn)技術(shù)的客戶。比如一年賣不出幾輛房車，新車的研發(fā)會(huì)比較慢。

其次，對(duì)MCU的急切換代要求并不高。歸根結(jié)底，直到現(xiàn)在，90nm或40nm都可以滿足大多數(shù)需求，上面提到的18nm。 FD-SOI ePCM MCU、28nm eRRAM MCU更多地應(yīng)對(duì)汽車市場的新需求。因此，MCU領(lǐng)域一直更傾向于改變內(nèi)部裝修，而不是直接翻新整個(gè)房子。只有當(dāng)市場需求達(dá)到一定水平時(shí)，才會(huì)邁出新的一步。

第三，與MCU相比，有很多靈活的解決方案。有時(shí)候人們已經(jīng)開始選擇成本更高的嵌入式產(chǎn)品或者SoC，比如火災(zāi)的全志T113。更有甚者，它會(huì)在包裝過程中按照Intel作為Ultra處理器塞進(jìn)去。 IO、Cpu、RAM、ROM和各種小die。

綜上所述，如果你有錢，你可以做出更先進(jìn)的產(chǎn)品，但現(xiàn)在最先改變的是汽車領(lǐng)域。當(dāng)然，我相信未來，隨著AI需求的擴(kuò)大和下游智能設(shè)備的變化，新的存儲(chǔ)成本和技術(shù)成熟度將繼續(xù)前進(jìn)，未來新的存儲(chǔ)將逐步擴(kuò)展到整個(gè)MCU領(lǐng)域。屆時(shí)，整個(gè)MCU工藝將進(jìn)一步推進(jìn)。

參考資料

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[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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