MCU制程工藝邁進(jìn)28nm時代，汽車行業(yè)的創(chuàng)新之路

1.車規(guī)MCU制程工藝朝28nm進(jìn)發(fā)

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

ST采用自家28nm FD-SOI技術(shù)推出了Stellar G和P系列，分別用于網(wǎng)關(guān)、控制等；

瑞薩早在18年就推出了基于28nm的集成eFlash技術(shù)的MCU，并在20年前后推出了涵蓋車身、網(wǎng)關(guān)到動力控制的高性能MCU U2AU2B。

可以看到，隨著電子電氣架構(gòu)架構(gòu)的演進(jìn)，對車規(guī)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(chǎn)品，這幾家MCU大廠均瞄準(zhǔn)了如下幾個方面：

針對加速車內(nèi)報文的路由處理能力的硬件化設(shè)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(yōu)化設(shè)計

針對跨域融合的大容量存儲器

針對新電子電氣架構(gòu)的高性能大算力的CPU

很明顯，上述技術(shù)是需要更先進(jìn)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(nèi)部的eFlash本身制程，即使臺積電能夠做到28nm的eFlash，產(chǎn)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(nèi)的小型存儲器，可以提升MCU取指或者讀數(shù)據(jù)的性能；

SRAM：提高整體系統(tǒng)效率，屬于高密度存儲器，掉電數(shù)據(jù)丟失，價格不菲。

程序、數(shù)據(jù)存儲：大容量NVM(Non-Volatile Memory)用于存儲代碼和數(shù)據(jù)，掉電不丟失。eFlash 是實(shí)現(xiàn)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(fù)簽名或模擬電路調(diào)試信息的小型 NVM。常見的如ROM、OTP存儲器或 eFuses。?

其層級結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)關(guān)系如下圖：

在業(yè)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(yùn)行效率更高，但是該技術(shù)在制造時所需工藝與數(shù)字、模擬電路所需的CMOS工藝還是有比較大區(qū)別。以常見的浮柵技術(shù)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(shù)在28nm甚至更小的硅幾何結(jié)構(gòu)下不容易實(shí)現(xiàn)微縮化，因此給MCU往先進(jìn)制程工藝的推進(jìn)帶來了阻礙。 因此業(yè)內(nèi)開始考慮是否有替代或者優(yōu)化eFlash的解決方案。 根據(jù)臺積電和新思的官網(wǎng)介紹，目前關(guān)于NVM市場除了eFlash工藝，eNVM工藝也異軍突起，它在CMOS工藝基礎(chǔ)上生產(chǎn)出帶NVM的芯片，主要有以下幾種技術(shù)：

PCM(Phase-Change Memory)：相變存儲器

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

RRAM(Resistive RAM)：電阻隨機(jī)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(shù)開發(fā)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(shí)現(xiàn)了超過 200 MHz 的隨機(jī)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(gòu)如下：

它使用MTJ(Magnetic Tunnel Junction --磁隧道結(jié))存儲信息，而不是傳統(tǒng)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(lán)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(zhuǎn)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(tài)。如果兩層具有相同的方向，則MTJ電阻為低，表示“邏輯0”狀態(tài)。 STT-MRAM通過將自旋極化電流直接穿過MTJ結(jié)構(gòu)來改變自由層的磁方向，意味著使?fàn)顟B(tài)反轉(zhuǎn)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(dǎo)體的Stellar PG系列使用PCM技術(shù)作為eNVM解決方案，應(yīng)用到了28nm FD-SOI技術(shù)平臺。所謂PCM，就是相變材料在焦耳熱作用下在結(jié)晶體態(tài)和非晶態(tài)下轉(zhuǎn)換，從而呈現(xiàn)不同阻態(tài)。 ST的PCM技術(shù)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(tài)和結(jié)晶態(tài)之間進(jìn)行快速熱控制變化的物理特性，分別對應(yīng)邏輯"0"和邏輯"1"相對應(yīng)。具體來講可通過非晶態(tài)（邏輯0）的高電阻和結(jié)晶態(tài)（邏輯1）的低電阻進(jìn)行電氣區(qū)分。PCM支持在低電壓下進(jìn)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(yōu)勢。

意法半導(dǎo)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(jī)，如下圖：

3.3 英飛凌和臺積電聯(lián)手RRAM

據(jù)英飛凌官網(wǎng)發(fā)布，TC4xx的NVM采用其與臺積電聯(lián)合研發(fā)的28nm RRAM技術(shù)。 RRAM（也稱ReRAM），作為結(jié)構(gòu)最簡單的存儲技術(shù)其結(jié)構(gòu)看上去像一個三明治，絕緣介質(zhì)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(gòu)成金屬-介質(zhì)層-金屬（metal-insulator-metal，簡稱MIM）三層結(jié)構(gòu)。

阻變原理是基于器件阻變層中導(dǎo)電通路（一般稱之為conductive filament, 導(dǎo)電細(xì)絲）實(shí)現(xiàn)的，即通過在上、下電極施加不同的脈沖電壓激勵，使介質(zhì)層發(fā)生阻變，產(chǎn)生物理性變化。 導(dǎo)電細(xì)絲會在阻變層中呈現(xiàn)導(dǎo)通或斷開兩種狀態(tài)：非易失性的低阻態(tài)（Low Resistance State，LRS）或高阻態(tài)（High Resistance State，HRS），從而實(shí)現(xiàn)了“0”，“1”狀態(tài)的區(qū)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(shù)實(shí)現(xiàn)。如下圖：

目前還沒有掌握到它這64MB的NvM采用什么技術(shù)。

4.小結(jié)

可以看到，eFlash制程工藝對MCU的架構(gòu)和產(chǎn)品迭代影響是巨大的。而國內(nèi)MCU廠商要想實(shí)現(xiàn)彎道超車，設(shè)計是一方面，生產(chǎn)、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(chǎn)建造技術(shù)要能夠支撐我的想法。 兵馬未動，糧草先行。而針對MCU的國產(chǎn)替代，我理解是設(shè)計未動，工藝先行。

審核編輯：黃飛