來源：愛集微APP

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。

與兩者在其他領域的比拼往往以三星追趕為基調不同，作為當前全球存儲器寡頭，三星在存儲技術上自然更占優勢。或許也正是由于此，三星的MRAM進擊之路，比臺積電走得更為激進。更令人驚訝的是，除了三星，臺積電的最大競爭對手，還有“代工老三”格芯。

借力意法FD-SOI 三星eMRAM進駐MCU早有計劃

說到這里，對于為什么說三星16nm MCU的關鍵在于MRAM技術，已經解釋了一半，即進入20nm以下領域，除了eMRAM暫無他法。另一半則在于，三星在MRAM技術上的布局由來已久，而以eMRAM搶下MCU代工訂單的圖謀，也有跡可循。

在2002年開啟MRAM研發工作后，三星在2005年又率先開始了STT-MRAM的研發，該技術后來被證明可以滿足高性能計算領域對最后一級緩存的性能要求，被認為是MRAM突破利基市場的利器，已成為包括臺積電在內的代工廠攻克MRAM的主要方向。

在此之后，成本和工藝的限制，讓三星的MRAM研發逐漸走向低調，在這期間，與FinFET技術齊名的FD-SOI，在以Leti、Soitec、意法半導體為代表的歐洲半導體科研機構和公司相繼迎來技術突破，快速發展，為MRAM的商業化應用埋下了伏筆。

2014年，三星與意法半導體簽訂28nm FD-SOI技術多資源制造全方位合作協議，授權三星在芯片量產中利用意法半導體的FD-SOI技術。也是在這一年，三星成功生產了8Mb eMRAM，并利用28nmFDS，在2019年成功量產首款商用eMRAM。

據三星介紹，利用其28nmFDS工藝技術制作的eMRAM模塊，只要增加3個掩模，就可以集成到芯片制造過程的后端。因此，該模塊被允許插入使用批量、FinFET或FD-SOI制造工藝生產的芯片中，而不一定取決于所使用的前端制造技術。

由此也可以看出，三星與意法半導體早已在eMRAM領域進行了深入的綁定，由此推測三星憑借eMRAM技術拿下意法半導體16nm MCU外包訂單也順理成章。另外，從三星近年來的對外發言中也可知，其對eMRAM應用至MCU早有計劃。

2017年，三星與NXP達成代工合同，從這一年起，NXP的IoT SoC i.MX系列將通過三星28nm FD-SOI工藝批量生產，并計劃2018年將三星的eMRAM嵌入式存儲器技術將用于下一代SoC和MCU，NXP也由此成為三星MCU代工的首個客戶。

2019年，在三星推出首款商用eMRAM的同時即表示，MCU將是eMRAM的主要應用方向之一，未來將繼續擴大其嵌入式非易失性內存產品，其中包括1gb eMRAM測試芯片，并計劃使用其18FDS工藝制造eMRAM，以及更先進的基于FinFET的節點。

今年年初，三星宣布將改進其MRAM的MTJ功能，使其適合更多的應用。而在10月舉行的第五屆年度三星代工論壇上，三星進一步表示，其正在推進其14nm工藝，下一代eMRAM的目標是MCU、物聯網、可穿戴設備等應用。

三星、格芯搶占先機 MRAM競爭態勢撲朔迷離

與三星的“咄咄逼人”相比，臺積電在MRAM的聲量不大，起碼相對于其在邏輯制程上的迅猛突破，其MRAM優勢并不突出，但這并不代表臺積電不重視，占據七成MCU代工市場，已經讓臺積電成為六大原廠之外，最重視MCU制造的大廠之一。

在2018年啟動MRAM芯片的“風險量產”后，臺積電又在ISSCC 2020上發布了基于ULL 22nm CMOS工藝的32Mb嵌入式STT-MRAM，已完成技術驗證、進入量產，并將持續推進更先進制程的開發，以支持下世代嵌入式存儲MCU等應用。

當時其進一步透露，正為其16nm FinFET平臺開發MRAM技術，預計2021年第四季度開始提供類似閃存的配置風險生產。后一計劃在今年又有了更為激進的轉變，臺積電在5月舉行的存儲峰會上表示，正尋求開發14/12nm的eMRAM。

臺積電的轉變，很難說是不是受到三星的刺激。但可以肯定的是，臺積電MRAM所受到的威脅，絕不僅僅來自于三星。一直以成熟制程代工為主的格芯，在MRAM的技術積累上，意外地與三星、臺積電“齊頭并進”，甚至有領先的趨勢。

2017年，時任格芯首席技術官的Gary Patton透露，公司已在22nm制程的FD-SOI工藝技術（22nm FDX）中提供了MRAM，這讓其成為少數幾家公開宣布在2017年底前至2018年量產MRAM的代工廠之一，也成功吸引了意法半導體的注意。

2018年1月，意法半導體公司選定格芯22nm FDX技術平臺，為其新一代工業和消費應用的處理器解決方案提供支持。在此之前，意法半導體提供的FD-SOI已成功幫助三星生產了eMRAM，這更加意味著格芯的MRAM技術，或許比想象得更加領先。

在隨后的2019年，格芯正是宣布其基于22nm FDX平臺的eMRAM投入生產。可將數據保持在-40到+125°C的溫度范圍內，壽命周期可以達到100,000，數據保留時間達到10年。格芯當時還表示，正與多個客戶合作，計劃在2020年安排多次流片。

此外，近期意圖重拾代工大業的英特爾，也對MRAM有所準備，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技術可在200℃下實現長達10年的記憶期，并可在超過106個開關周期內實現持久性。

由此，全球代工前四大巨頭均已做好MRAM起跑姿勢，在臺積電意外喪失先發優勢、三星和格芯拿下主動權的背景之下，未來競爭格局如何，變得更加撲朔迷離。