【芯观点】三星16nm MCU凭什么赢过台积电？

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报道，MCU停留在成熟制程太久了，久到在未来很长一段时间，都将挤压本就捉襟见肘的成熟产能。最先进MCU推进至28nm便难以继续——六大原厂意图将难题抛给代工厂，但即使是先进制程独步全球的台积电，也面临瓶颈。

这也是为何三星拿下意法16nm MCU代工订单的传闻，几乎要引起业内地震。因为这将意味着当前正不断在先进制程上挑战台积电的三星，已经在MCU上稳稳站在台积电的前面，也意味着一直以来制程推进缓慢的MCU，将迎来新的发展格局。

虽然三星方面对该传闻保持缄默，也尚未有更多细节被曝光，但从近年来嵌入式存储的发展方向、三星多年的布局痕迹来看，有理由相信，新一代存储技术——MRAM，可能正是三星MCU迈过28nm关卡、赢过台积电的杀手锏。

20nm及以下制程 eMRAM或是MCU的主流选择

在高度集成的MCU中，存储模块往往基于eNVM工艺被嵌入其中。这种嵌入式存储虽然是在逻辑工艺平台基础上开发，但与逻辑工艺以及独立存储器工艺的差异甚大，由此带来的制程推进进度差异，正是MCU迈向更先进制程的最大掣肘——

在以台积电为代表的先进逻辑制程开始向2nm发出挑战的当下，Nor Flash仍在45nm徘徊，而作为当前MCU最常用的存储解决方案，eFlash被台积电推进至22nm，似乎也已达到了极限，这使其在MCU上的面积占比越来越高，几乎“反客为主”。

一方面，传统存储器正面临越来越严峻的微缩挑战，DRAM接近微缩极限，NAND/NOR Flash已转而朝3D方向转型；另一方面，与传统逻辑工艺相较，eFlash制造中需要多加9-12层光罩，不仅增加成本，并且还有写入速度缓慢、不耐用等缺点。

以上种种均表明，MCU想要在28nm及以下制程继续推进，必须“弃车保帅”。在eFlash、eDRAM、SRAM等诸多存储解决方案几乎均面临相似困境的情况下，与前三者在底层运行逻辑上有根本区别的MRAM，逐渐成为大厂的主流选择。

MRAM是一种非易失性解决方案，与以电荷形式存储数据的Flash以及DRAM不同，MRAM的技术原理是利用电子的自旋特性实现数据存储，核心存储器件为MTJ（ magnetic tunnel junction，磁性隧道结），由两个铁磁薄膜和一个薄屏障组成的。

这种差异给MRAM带来的优越性在于：写入新数据前不必执行擦除周期，速度比Flash快1000倍，数据保存时间长，适用于高性能应用，且也比传统的存储介质耗能更低。而更为重要的是，其制程则可推进至10nm以下，满足MCU进一步微缩的要求。

在MCU中，eMRAM（即嵌入式MRAM）在保证其大小与eFlash相当的基础上，仅需要增加额外的2或3个掩膜层，更容易被添加到CMOS裸片中，并且，成熟的磁学物理理论、简单可控的写入机制，使其具备更高的技术成熟度，能够与先进逻辑工艺无缝融合。

市调机构Yole Development曾预测称，MRAM作为下一代非易失性存储器的替代者，到2024年市场规模将较2018年增加40倍达到17.8亿美元，其中eMRAM将增长到12亿美元，而独立MRAM的5.8亿美元稍微落后于eMRAM。

6年40倍的惊人增速背后，几大代工巨头功不可没。巧合的是，越来越针锋相对的三星和台积电，当初几乎在同一时刻对MRAM出了手。2002年，台积电与中国台湾地区工研院签订了MRAM合作发展计划，而三星也在这一年开始了MRAM的开发计划。

与两者在其他领域的比拼往往以三星追赶为基调不同，作为当前全球存储器寡头，三星在存储技术上自然更占优势。或许也正是由于此，三星的MRAM进击之路，比台积电走得更为激进。更令人惊讶的是，除了三星，台积电的最大竞争对手，还有“代工老三”格芯。

借力意法FD-SOI 三星eMRAM进驻MCU早有计划

说到这里，对于为什么说三星16nm MCU的关键在于MRAM技术，已经解释了一半，即进入20nm以下领域，除了eMRAM暂无他法。另一半则在于，三星在MRAM技术上的布局由来已久，而以eMRAM抢下MCU代工订单的图谋，也有迹可循。

在2002年开启MRAM研发工作后，三星在2005年又率先开始了STT-MRAM的研发，该技术后来被证明可以满足高性能计算领域对最后一级缓存的性能要求，被认为是MRAM突破利基市场的利器，已成为包括台积电在内的代工厂攻克MRAM的主要方向。

在此之后，成本和工艺的限制，让三星的MRAM研发逐渐走向低调，在这期间，与FinFET技术齐名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半导体为代表的欧洲半导体科研机构和公司相继迎来技术突破，快速发展，为MRAM的商业化应用埋下了伏笔。

2014年，三星与意法半导体签订28nm FD-SOI技术多资源制造全方位合作协议，授权三星在芯片量产中利用意法半导体的FD-SOI技术。也是在这一年，三星成功生产了8Mb eMRAM，并利用28nmFDS，在2019年成功量产首款商用eMRAM。

据三星介绍，利用其28nmFDS工艺技术制作的eMRAM模块，只要增加3个掩模，就可以集成到芯片制造过程的后端。因此，该模块被允许插入使用批量、FinFET或FD-SOI制造工艺生产的芯片中，而不一定取决于所使用的前端制造技术。

由此也可以看出，三星与意法半导体早已在eMRAM领域进行了深入的绑定，由此推测三星凭借eMRAM技术拿下意法半导体16nm MCU外包订单也顺理成章。另外，从三星近年来的对外发言中也可知，其对eMRAM应用至MCU早有计划。

2017年，三星与NXP达成代工合同，从这一年起，NXP的IoT SoC i.MX系列将通过三星28nm FD-SOI工艺批量生产，并计划2018年将三星的eMRAM嵌入式存储器技术将用于下一代SoC和MCU，NXP也由此成为三星MCU代工的首个客户。

2019年，在三星推出首款商用eMRAM的同时即表示，MCU将是eMRAM的主要应用方向之一，未来将继续扩大其嵌入式非易失性内存产品，其中包括1gb eMRAM测试芯片，并计划使用其18FDS工艺制造eMRAM，以及更先进的基于FinFET的节点。

今年年初，三星宣布将改进其MRAM的MTJ功能，使其适合更多的应用。而在10月举行的第五届年度三星代工论坛上，三星进一步表示，其正在推进其14nm工艺，下一代eMRAM的目标是MCU、物联网、可穿戴设备等应用。

三星、格芯抢占先机 MRAM竞争态势扑朔迷离

与三星的“咄咄逼人”相比，台积电在MRAM的声量不大，起码相对于其在逻辑制程上的迅猛突破，其MRAM优势并不突出，但这并不代表台积电不重视，占据七成MCU代工市场，已经让台积电成为六大原厂之外，最重视MCU制造的大厂之一。

在2018年启动MRAM芯片的“风险量产”后，台积电又在ISSCC 2020上发布了基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM，已完成技术验证、进入量产，并将持续推进更先进制程的开发，以支持下世代嵌入式存储MCU等应用。

当时其进一步透露，正为其16nm FinFET平台开发MRAM技术，预计2021年第四季度开始提供类似闪存的配置风险生产。后一计划在今年又有了更为激进的转变，台积电在5月举行的存储峰会上表示，正寻求开发14/12nm的eMRAM。

台积电的转变，很难说是不是受到三星的刺激。但可以肯定的是，台积电MRAM所受到的威胁，绝不仅仅来自于三星。一直以成熟制程代工为主的格芯，在MRAM的技术积累上，意外地与三星、台积电“齐头并进”，甚至有领先的趋势。

2017年，时任格芯首席技术官的Gary Patton透露，公司已在22nm制程的FD-SOI工艺技术（22nm FDX）中提供了MRAM，这让其成为少数几家公开宣布在2017年底前至2018年量产MRAM的代工厂之一，也成功吸引了意法半导体的注意。

2018年1月，意法半导体公司选定格芯22nm FDX技术平台，为其新一代工业和消费应用的处理器解决方案提供支持。在此之前，意法半导体提供的FD-SOI已成功帮助三星生产了eMRAM，这更加意味着格芯的MRAM技术，或许比想象得更加领先。

在随后的2019年，格芯正是宣布其基于22nm FDX平台的eMRAM投入生产。可将数据保持在-40到+125°C的温度范围内，寿命周期可以达到100,000，数据保留时间达到10年。格芯当时还表示，正与多个客户合作，计划在2020年安排多次流片。

此外，近期意图重拾代工大业的英特尔，也对MRAM有所准备，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技术可在200℃下实现长达10年的记忆期，并可在超过106个开关周期内实现持久性。

由此，全球代工前四大巨头均已做好MRAM起跑姿势，在台积电意外丧失先发优势、三星和格芯拿下主动权的背景之下，未来竞争格局如何，变得更加扑朔迷离。

写在最后

今年8月，笔者曾就一则“MCU转向28nm制程”的传闻向业内人士求证（详见：《【芯观点】MCU要转28nm？两大矛盾待厘清》），当时某国内代工厂技术高层即表示，eFlash技术是MCU向前推进的最大阻碍。

在这种前提下，MCU在短期内转向28nm甚至是更先进制程的可能性变得更加虚无缥缈，这也意味着，MCU将在未来几年继续占用成熟制程的一大部分产能，而掌握大部分产能的六大原厂可能继续“稳坐钓鱼台”。

然而，MRAM的技术突破成为了最大变数。若三星确实拿下意法半导体16nm MCU订单，那意味着MCU将不再仅限于成熟制程，同时也意味着，在更先进制程的MCU领域，代工厂与原厂的联系将更加紧密，而台积电的MCU第一代工厂地位，也将受到挑战。

（holly）

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