MCU制程“大跃进”

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向来在工艺制程方面相对“佛系”的MCU也开始憋大招了。

最近,MCU老牌劲旅恩智浦宣布将推出5nm的S32N系列处理器,提供安全、实时应用处理的可扩展组合,满足汽车制造商的中央计算需求。 S32N处理器不仅可以帮助实现软件定义汽车的新用例和优势,还能高效地创建和变现汽车数据的收集与分析,在汽车的生命周期简化汽车功能和服务的部署。此外,ST宣布与三星合作采用18nm FD-SOI工艺并整合嵌入式相变存储器(ePCM),将开发并量产18nm的车规级MCU。

需要厘清的是伴随着汽车电子电气架构的升级,传统功能相对单一的车规MCU已难以满足智能汽车的需求,越来越多厂商将ZCU(区域控制器)作为其电子控制系统的核心模块之一,要求车规级MCU具备大算力、高带宽、大容量、高安全性等。因而,MCU一方面将向大算力、高性能演进,在中央计算或智能座舱等领域发挥作用,目前恩智浦已演进至5nm;另一方面则是偏实时控制和端侧AI控制的Real Time Processor即SoC演进,而ST的18nm则属于这一范畴。

围绕SoC的演进,目前国际大厂在车规级MCU层面最先进的工艺主要为40nm,而国内厂商大都集中于90nm、65nm领域,18nm MCU可谓领先两个身位。

多位行业人士认为,18nm MCU带来的不仅是MCU市场巨变,在嵌入式存储领域三种路线相变存储器(PCM)、磁RAM(MRAM)和阻变存储器(RRAM)的竞逐中,PCM率先突破20nm门槛,将也为其后续发展再添筹码。仍处追赶阶段的国内汽车MCU厂商,也应与产业链上下游加强合作协力布局。

18nm问世 推进MCU制程大跃迁

众所周知,MCU的应用非常广泛,而汽车电子是MCU的第一大应用市场,近些年在电气化、智能化的驱动下,汽车MCU比重也在持续攀升。

据统计,传统普通燃油车约使用70个ECU,豪华燃油车约为150个,而智能汽车由于智能座舱和自动驾驶的高算力需求,ECU数量会激增至约300个,为普通燃油车的4.3倍,而每个ECU单元里至少需要使用一颗MCU。从市场规模来看,IC Insights预测,2028年全球MCU市场规模达到380亿美元。

从MCU行业格局观察,全球主要供应商仍以ST、恩智浦、英飞凌、TI、瑞萨、微芯为主,约占八成以上市场份额。为应对汽车电气化、智能化不断深化的需求,这些厂商除在软件和生态层面着力之外,在内核、存储、接口、工艺等层面也在持续革新。

此番ST先声夺人,率先宣布将推出18nm的车规级MCU。相应的,这一跃迁也带来了诸多优势。

ST中国区微控制器、数字IC与射频产品部、物联网/人工智能技术创新中心及数字营销副总裁朱利安(Arnaud Julienne)介绍,从40nm转向18nm,表明ST已完成向下一代技术和工艺的迭代。其性能功耗比提高50%以上;非易失性存储器(NVM)密度是现有技术的2.5倍,可集成容量更大的存储器;数字电路密度是现有技术的三倍,可集成AI等引擎以及更先进的安全保护功能;噪声系数改善3dB,增强了无线MCU的射频性能。

相较于目前先进MCU大都采用的40nm制程,18nm MCU的问世将MCU和嵌入式存储工艺制程拉入到20nm以内,表明MCU制程向前迈出了一大步将激发出更强大的发展潜能。

行业专家直言道,MCU作为嵌入式产品,一直以来都采用成熟工艺制程。而技术的精进、产品的迭代适应了汽车电动化、智能化、网联化发展要求和新兴应用场景,这对于MCU产业来说是好事,意味着MCU产业往高端化迈进,市场规模进一步扩大。

嵌入式存储工艺进阶 三大路线难分高下

从更深层次来看,18nm MCU问世的重要性还在于嵌入式闪存领域实现了全新突破。

作为一款需要集成CPU、SRAM、非易失性存储器以及专用外设的芯片,MCU最常见的存储器形式包括了eDRAM、SRAM、闪存、EEPROM,其中集成式闪存是MCU的重要特征。然而随着时间的推移,闪存却逐渐成为制约MCU提高性能、降低功耗的瓶颈之一,包括闪存工艺难以扩展和集成以及可擦写次数太少等。

为此,越来越多的MCU大厂开始选择在MCU中集成新型存储器,业界公认的三大路线为PCM、MRAM和RRAM。但由于这三大技术路线各有优劣且各有拥趸,暂时还难分高下。

ST强调突破了18nm嵌入式相变存储器(ePCM)的门槛,也在于在工艺层面嵌入式闪存进阶挑战重重。无锡摩芯半导体有限公司(以下简称“摩芯半导体”)表示,由于闪存要与MCU集成于一个Die上,这就要求采用同一工艺,之前MCU大厂最先进的制程为40nm,且成熟的嵌入式闪存工艺也集中于40nm,不仅滞后于工业、消费等领域闪存制程,全球目前主要有台积电、GF(Global Foundries)、联电、三星等可提供。而且,MCU闪存开发需要代工厂和MCU厂商的合作推进,大陆代工厂仍处在快速研发中。

而且,尽管ST通过与三星合作率先将PCM走向量产和出货,但这并不能就为PCM将来发展“打包票”。因PCM并不是一个十全十美的选择,它也有着固有的局限性。

一位业内人士也直言,随着域控制器的发展,车规级MCU工艺推进越来越快。虽然ST发布了18nm的MCU,但PCM能否像传统的eflash一样,达到车规级温度、可靠性和多次擦写的稳定性要求还有待观察。

从MCU巨头选择路线来看,像是达成了某种默契:英飞凌选择与台积电合作走RRAM路线,NXP等则采用MRAM。

对此,摩芯半导体分析,目前为止PCM、MRAM、RRAM这三大路线还未见分晓。一方面要考虑在代工层面是否能实现高良率以及投入与成本平衡,另一方面要经受在汽车应用高质量、高可靠性以及供货稳定性考验,未来哪条路线胜出或有可能实现“一统”,都还有待进一步发展才会日渐清晰。

国内厂商追赶 谋定而后动

在MCU闪存的齿轮转动之际,也为围绕汽车芯片领域的国产车规级MCU厂商投下了新的阴影。

尽管国产替代喊了多年,但由于汽车MCU进入门槛高、研发投入大、认证周期长等原因,我国车规级MCU的国产化率还徘徊在个位数,在一些高安全的关键领域则尚没有入门。摩芯半导体提及,国产汽车MCU采用的制造工艺,大部分还集中于65nm、90nm和130nm,40nm都还非常少,已属于高端。

在18nm MCU让MCU竞争更“卷”之际,国内汽车MCU厂商如何加快追赶也成为新的灵魂拷问。

但显然这事急不来。上述行业人士指出,汽车MCU工艺向上走的一大阻碍是在嵌入式闪存领域,大陆代工厂目前还难以提供28nm、18nm的嵌入式闪存工艺,国内MCU厂商需寻求其他地区的代工厂合作,在工艺层面大陆还需着力补足。

加之围绕嵌入式闪存发展的三大路线尚不明朗,国内汽车MCU厂商如何落子也是一大挑战。面对这一局面,国产MCU厂商更应谋定而后动。

毕竟,每种存储路线都各有优缺点,并没有完美的存在,如何取舍?如何尽可能针对弱项研发出新技术?这些都是不容忽视且需要慎重考虑的问题,国内MCU厂商在资金、人力和资源相对有限的条件下,如何“利出一孔”尤为关键。

摩芯半导体建议,一是实力较为强大的MCU厂商可与一些在底层工艺、片上存储领域有积累的研究所、高校合作布局;二是与大陆代工厂合作,但代工厂的技术实力提升仍需时间;三是在MCU设计层面,国内外相比差距不大,可提前做平台预研和开发,加快演进至28nm或16nm步伐。

40nm MCU仍是主流 应着力提升国产化比例

尽管18nm MCU已呼之欲出,但从长期来看,40nm MCU市场仍是长周期市场。

对此朱利安也提及,18nm工艺的优势在于高功率密度和超低功耗,但并不是所有的MCU都需要采用这一工艺,ST在基于18nm工艺开发高性能新品的同时,仍将持续量产40nm MCU,40nm工艺也将长期存在。

摩芯半导体也持有相同的看法,从短期来看18nm需求没有那么刚需,基于40nm闪存的MCU在未来58年里基本上仍是主流。

因而,对于国产汽车MCU发展,摩芯半导体强调,首要仍是将产品做好、将应用拓展,让客户信任国产MCU厂商能够供应稳定、可靠、成熟的MCU,着力提升国产替代比例。在打下和巩固“江山”之后,表明有足够强大的生存能力,也有充裕的资金和人才助阵,再对接前沿方向,稳妥选择并提前布局。

“如果脱离水源去谈如何钓鱼就不太现实,但如果去做小白鼠就更不实际。”摩芯半导体道出了路线选择的重要性。

对国内MCU厂商来说,ST率先发布全球首款20nm以下制程MCU既是一种鞭策,也或产生新的窗口。“ST向先进制程发力,基于毛利率和本土化服务能力的考虑,可能对于成熟制程市场会有所取舍,国内厂商可以在成熟制程领域进一步加大进口替代力度,争取提高市场占有率。例如家电主控MCU领域,大部分都是55nm以上成熟制程,我国是家电的制造大国和强国,国内厂商可着力进口替代,提升营收规模。”上述专家最后建议道。

责编: 张轶群
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