1.車規MCU制程工藝朝28nm進發

隨著英飛凌發布了關于AURIX TC4xx系列即將量產的新聞，國際MCU大廠關于下一代跨域融合架構的車規MCU基本湊齊了。 而跨域融合對車規MCU算力要求的提升，MCU的制造工藝開始向更先進的制程邁進。 NXP采用TSMC 16nm FinFet技術推出了S32Z和S32E樣品，分別用于區域控制和電動汽車(xEV)控制和智能驅動。

ST采用自家28nm FD-SOI技術推出了Stellar G和P系列，分別用于網關、控制等；

瑞薩早在18年就推出了基于28nm的集成eFlash技術的MCU，并在20年前后推出了涵蓋車身、網關到動力控制的高性能MCU U2AU2B。

可以看到，隨著電子電氣架構架構的演進，對車規MCU的算力、資源、性能的要求都提升了一個檔次。

從目前掌握到的情況下，針對跨域融合產品，這幾家MCU大廠均瞄準了如下幾個方面：

針對加速車內報文的路由處理能力的硬件化設計；

針對跨域融合的MCU硬件虛擬化功能；

滿足ISOSAE 21434的信息安全解決方案；

針對MCU無感SOTA的優化設計

針對跨域融合的大容量存儲器

針對新電子電氣架構的高性能大算力的CPU

很明顯，上述技術是需要更先進的制程工藝來滿足的。理論上，制程工藝越小，單位面積能容納的晶體管就越多，功耗相對就越小，因此選用28nm、22nm乃至16nm無可厚非。 不過，眾所周知MCU遲遲在40nm徘徊，最主要的因素還是受限MCU內部的eFlash本身制程，即使臺積電能夠做到28nm的eFlash，產能也不見得能夠釋放給每家MCU大廠。 那么對于MCU的存儲器，這幾家國際大廠是如何考量的呢？

2.MCU存儲器概述

在一款MCU中，有4類常見的存儲器：

緩存：靠近核內的小型存儲器，可以提升MCU取指或者讀數據的性能；

SRAM：提高整體系統效率，屬于高密度存儲器，掉電數據丟失，價格不菲。

程序、數據存儲：大容量NVM(Non-Volatile Memory)用于存儲代碼和數據，掉電不丟失。eFlash 是實現這一目的的首要選擇。

密鑰存儲存儲器：用于存儲芯片ID、安全代碼、SRAM 修復簽名或模擬電路調試信息的小型 NVM。常見的如ROM、OTP存儲器或 eFuses。?

其層級結構和關聯關系如下圖：

在業界，一直有著買Flash送MCU的說法，可見eFlash對于MCU的重要程度，相較于片外Flash，eFlash運行效率更高，但是該技術在制造時所需工藝與數字、模擬電路所需的CMOS工藝還是有比較大區別。以常見的浮柵技術為例，eFlash需要額外的光罩層次，用于編程、擦除的電壓通常大于5V，這些技術在28nm甚至更小的硅幾何結構下不容易實現微縮化，因此給MCU往先進制程工藝的推進帶來了阻礙。 因此業內開始考慮是否有替代或者優化eFlash的解決方案。 根據臺積電和新思的官網介紹，目前關于NVM市場除了eFlash工藝，eNVM工藝也異軍突起，它在CMOS工藝基礎上生產出帶NVM的芯片，主要有以下幾種技術：

PCM(Phase-Change Memory)：相變存儲器

STT-MRAM(Spin-Transfer Torque )：嵌入式自旋轉移矩磁阻RAM

RRAM(Resistive RAM)：電阻隨機存儲器

3.MCU大廠的選擇?

瑞薩日前宣布，公司已基于STT-MRAM的電路技術開發出具有快速讀寫能力的測試芯片。該MCU 測試芯片采用 22 納米工藝制造，包括一個 10.8Mbit嵌入式 MRAM 存儲單元陣列。它實現了超過 200 MHz 的隨機讀取訪問頻率和10.4MB/s的寫入吞吐量。

3.1 瑞薩自研STT-MRAM

STT-MRAM的基本架構如下：

它使用MTJ(Magnetic Tunnel Junction --磁隧道結)存儲信息，而不是傳統的電荷存儲方式。 每個MTJ包含兩個鐵磁層和一個隧道勢壘層。其中一個鐵磁層(Fixed Layer--藍色)具有固定的磁性方向，而另一個鐵磁層(Free Layer--綠色)可以通過外部電磁場或自旋傳遞轉矩改變其磁性方向。如果兩個鐵磁層具有不同的方向，則MTJ電阻高，表明“邏輯1”狀態。如果兩層具有相同的方向，則MTJ電阻為低，表示“邏輯0”狀態。 STT-MRAM通過將自旋極化電流直接穿過MTJ結構來改變自由層的磁方向，意味著使狀態反轉的閾值電流將隨著MTJ的尺寸變小而減小。

3.2 ST專注PCM

意法半導體的Stellar PG系列使用PCM技術作為eNVM解決方案，應用到了28nm FD-SOI技術平臺。所謂PCM，就是相變材料在焦耳熱作用下在結晶體態和非晶態下轉換，從而呈現不同阻態。 ST的PCM技術采用鍺銻碲 (GST) 合金制造而成，且在制造過程中利用了材料可在非晶態和結晶態之間進行快速熱控制變化的物理特性，分別對應邏輯"0"和邏輯"1"相對應。具體來講可通過非晶態（邏輯0）的高電阻和結晶態（邏輯1）的低電阻進行電氣區分。PCM支持在低電壓下進行讀寫操作，并且具備單比特位可變更性，因此相較于eFlash更有優勢。

意法半導體在存儲單元和GST合金上的專利布局，讓其在汽車越來越多的OTA場景中搶占了先機，如下圖：

3.3 英飛凌和臺積電聯手RRAM

據英飛凌官網發布，TC4xx的NVM采用其與臺積電聯合研發的28nm RRAM技術。 RRAM（也稱ReRAM），作為結構最簡單的存儲技術其結構看上去像一個三明治，絕緣介質層（阻變層）被夾在兩層金屬之間，形成由上、下電極和阻變層構成金屬-介質層-金屬（metal-insulator-metal，簡稱MIM）三層結構。

阻變原理是基于器件阻變層中導電通路（一般稱之為conductive filament, 導電細絲）實現的，即通過在上、下電極施加不同的脈沖電壓激勵，使介質層發生阻變，產生物理性變化。 導電細絲會在阻變層中呈現導通或斷開兩種狀態：非易失性的低阻態（Low Resistance State，LRS）或高阻態（High Resistance State，HRS），從而實現了“0”，“1”狀態的區分和存儲。

3.4 NXP如何計劃eNVM

S32Z和S32E處理器采用TSMC 16nm FinFET技術實現。如下圖：

目前還沒有掌握到它這64MB的NvM采用什么技術。

4.小結

可以看到，eFlash制程工藝對MCU的架構和產品迭代影響是巨大的。而國內MCU廠商要想實現彎道超車，設計是一方面，生產、工藝則是重中之重。 就好像我想在空中修一棟房子，想法是好的，前提是生產建造技術要能夠支撐我的想法。 兵馬未動，糧草先行。而針對MCU的國產替代，我理解是設計未動，工藝先行。

審核編輯：黃飛