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三星|【芯觀點】三星16nm MCU憑什么贏過臺積電？

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三星|【芯觀點】三星16nm MCU憑什么贏過臺積電？


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集微網報道 ， MCU停留在成熟制程太久了 ， 久到在未來很長一段時間 ， 都將擠壓本就捉襟見肘的成熟產能 。 最先進MCU推進至28nm便難以繼續——六大原廠意圖將難題拋給代工廠 ， 但即使是先進制程獨步全球的臺積電 ， 也面臨瓶頸 。
這也是為何三星拿下意法16nm MCU代工訂單的傳聞 ， 幾乎要引起業內地震 。 因為這將意味著當前正不斷在先進制程上挑戰臺積電的三星 ， 已經在MCU上穩穩站在臺積電的前面 ， 也意味著一直以來制程推進緩慢的MCU ， 將迎來新的發展格局 。
雖然三星方面對該傳聞保持緘默 ， 也尚未有更多細節被曝光 ， 但從近年來嵌入式存儲的發展方向、三星多年的布局痕跡來看 ， 有理由相信 ， 新一代存儲技術——MRAM ， 可能正是三星MCU邁過28nm關卡、贏過臺積電的殺手锏 。
20nm及以下制程 eMRAM或是MCU的主流選擇
在高度集成的MCU中 ， 存儲模塊往往基于eNVM工藝被嵌入其中 。 這種嵌入式存儲雖然是在邏輯工藝平臺基礎上開發 ， 但與邏輯工藝以及獨立存儲器工藝的差異甚大 ， 由此帶來的制程推進進度差異 ， 正是MCU邁向更先進制程的最大掣肘——
在以臺積電為代表的先進邏輯制程開始向2nm發出挑戰的當下 ， Nor Flash仍在45nm徘徊 ， 而作為當前MCU最常用的存儲解決方案 ， eFlash被臺積電推進至22nm ， 似乎也已達到了極限 ， 這使其在MCU上的面積占比越來越高 ， 幾乎“反客為主” 。
一方面 ， 傳統存儲器正面臨越來越嚴峻的微縮挑戰 ， DRAM接近微縮極限 ， NAND/NOR Flash已轉而朝3D方向轉型；另一方面 ， 與傳統邏輯工藝相較 ， eFlash制造中需要多加9-12層光罩 ， 不僅增加成本 ， 并且還有寫入速度緩慢、不耐用等缺點 。
以上種種均表明 ， MCU想要在28nm及以下制程繼續推進 ， 必須“棄車保帥” 。 在eFlash、eDRAM、SRAM等諸多存儲解決方案幾乎均面臨相似困境的情況下 ， 與前三者在底層運行邏輯上有根本區別的MRAM ， 逐漸成為大廠的主流選擇 。
MRAM是一種非易失性解決方案 ， 與以電荷形式存儲數據的Flash以及DRAM不同 ， MRAM的技術原理是利用電子的自旋特性實現數據存儲 ， 核心存儲器件為MTJ（ magnetic tunnel junction ， 磁性隧道結） ， 由兩個鐵磁薄膜和一個薄屏障組成的 。
這種差異給MRAM帶來的優越性在于：寫入新數據前不必執行擦除周期 ， 速度比Flash快1000倍 ， 數據保存時間長 ， 適用于高性能應用 ， 且也比傳統的存儲介質耗能更低 。 而更為重要的是 ， 其制程則可推進至10nm以下 ， 滿足MCU進一步微縮的要求 。
在MCU中 ， eMRAM（即嵌入式MRAM）在保證其大小與eFlash相當的基礎上 ， 僅需要增加額外的2或3個掩膜層 ， 更容易被添加到CMOS裸片中 ， 并且 ， 成熟的磁學物理理論、簡單可控的寫入機制 ， 使其具備更高的技術成熟度 ， 能夠與先進邏輯工藝無縫融合 。
市調機構Yole Development曾預測稱 ， MRAM作為下一代非易失性存儲器的替代者 ， 到2024年市場規模將較2018年增加40倍達到17.8億美元 ， 其中eMRAM將增長到12億美元 ， 而獨立MRAM的5.8億美元稍微落后于eMRAM 。
6年40倍的驚人增速背后 ， 幾大代工巨頭功不可沒 。 巧合的是 ， 越來越針鋒相對的三星和臺積電 ， 當初幾乎在同一時刻對MRAM出了手 。 2002年 ， 臺積電與中國臺灣地區工研院簽訂了MRAM合作發展計劃 ， 而三星也在這一年開始了MRAM的開發計劃 。

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