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三星|【芯观点】三星16nm MCU凭什么赢过台积电？

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三星|【芯观点】三星16nm MCU凭什么赢过台积电？


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集微网报道 ， 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 。

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