车载MCU，又要变天了
作者: 付斌
要说MCU未来两年还能怎么变？除了加入AI加速器，或者从Cortex-M核心切换到RISC-V核心，就是集成新型存储器。
2月28日，英飞凌宣布新一代MCU AURIX TC4x 即将量产，与传统MCU不同，本代产品引入 RRAM 非易失存储介质（NVM）。无独有偶，ISSCC 2024上，瑞萨宣布已开发出用于嵌入式（包括MCU）的STT-MRAM电路技术的测试芯片。而早在2022年，意法半导体就发布Stellar P6车规MCU，彼时产品中就采用了PCM。
这预示着新型存储的MCU终于要正式和我们见面，这意味着，MCU制程技术要全面朝28nm以下进发，而第一个将要改变的市场，就是车载MCU市场。
车载MCU升级的另一条路
你我都知道，在MCU中有许多存储器，而这些存储器共有两种类型——一种是eDRAM 、SRAM之类的易失性存储器，一种是EEPROM、嵌入式闪存（eFlash）这种非易失性存储器（NVM）。在典型的 MCU 片上系统 (SoC) 中，有四种类型的存储器：
• 缓存存储器：使用触发器或SRAM设计的小型存储器。它们需要高速读写操作和非常高的耐久性；
• 数据存储器：高容量存储器，用于将数据馈送到处理单元，旨在提高整体系统效率。这些是高密度存储器，通常是SRAM；
• 密钥存储存储器：用于存储芯片ID、安全代码、SRAM修复签名或模拟电路修调信息的小型 NVM。它们不需要高耐久性；因此，ROM、基于反熔丝的一次性可编程 (OTP) 存储器或 eFuses 通常用于这些存储器；
• 代码和数据存储存储器：高容量NVM存储启动代码、固件和数据。随着 AI/ML、IoT 和自动化的进步，存储器容量也在不断增加，而功耗也变得至关重要。以前，嵌入式闪存（eFlash）是实现这一目的的选择。
MCU设计的方块图，图源丨新思科技
但总结起来，传统集成在MCU中的嵌入式闪存（eFlash）有三点劣势：
第一，限制MCU本身的制程。理论上，制程工艺越小，单位面积能容纳的晶体管就越多，功耗相对就越小。不过，大家都知道，MCU一直在40nm徘徊，最主要的因素还是受限MCU内部的嵌入式闪存（eFlash）本身制程。闪存的制造工艺扩展到40nm以下非常困难，不仅要考虑各种参数和成本，同时很难集成到非常复杂的高K金属栅极技术中。
第二，本身行业对于MCU存储容量需求在增加。随着跨域融合对车规MCU算力要求的提升，汽车MCU需要的NVM存储容量越来越高，新型存储有着比闪存更高的容量提升空间。
第三，嵌入式闪存寿命越来越不适宜现有需求。在汽车应用中，集成到板载MCU中的闪存的可重写次数太少，随着每次写入和擦除周期，浮栅NOR单元中的隧道氧化物会退化，漏电会增加，从而加速闪存的老化，因此闪存越来越不适合作为数据存储器。
因此，越来越多的MCU制造商选择集成新型存储器，解决上述几个问题，并扩展MCU的制程继续向前发展，不断突破28nm、22nm乃至16nm。
三种存储，三种流派
目前，市场共有三种新型存储器已经开始用在MCU内——RRAM（阻变存储）、MRAM/STT-MRAM（磁性存储器）、PCM（PCRAM，相变存储器）。
第一种是RRAM（阻变存储），英飞凌是在这条路线上的最大玩家。
2021年底英飞凌宣布推出TC4XX系列；2022年11月和台积电完成RRAM的量产研发；2023年将RRAM和逻辑器件结合，今年年初正式量产。
根据英飞凌的介绍，市场上的大多数MCU系列均采用嵌入式闪存技术。作为下一代嵌入式存储器，RRAM可以进一步扩展至28nm及以下。
RRAM具有很高的抗干扰性并且允许在不需要擦除的情况下进行逐位写入，其耐久性和数据保持性能堪比闪存技术。引入RRAM将为MCU的提高性能、减少功耗和节约成本以及进一步小型化创造了巨大的潜力。
第二种是MRAM/STT-MRAM（磁性存储器），瑞萨和恩智浦是主要推进者。
2022年6月瑞萨在VLSI大会上宣布推出STT-MRAM的22纳米制造工艺技术；ISSCC 2024上，瑞萨宣布已开发出用于嵌入式自旋转移矩磁阻随机存取存储器（STT-MRAM）的电路技术，具有快速读写操作的测试芯片。
根据瑞萨的介绍，采用22nm嵌入式MRAM工艺制造了具有10.8 Mbit MRAM存储单元阵列的原型MCU测试芯片。对原型芯片的评估证实，在125°C的最高结温下实现了超过200MHz的随机读取访问频率和10.4 MB/s的写入吞吐量。
2023年5月，恩智浦与台积电推出汽车级16nm的FinFET工艺的MRAM，恩智浦下一代MCU将会采取此项技术，预计在2024年底或2025年初量产。
恩智浦介绍，Flash存储器更新20MB的代码需要约1分钟时间，而MRAM只需3秒左右，最大限度地缩短软件更新带来的停机时间，汽车厂商能够消除模块长时间编程引起的瓶颈。此外，MRAM提供多达一百万个更新周期，耐久性超过闪存和其他新兴存储器技术的十倍，为汽车失效缺陷提供高度可靠的技术。
第三种是PCM（PCRAM，相变存储器），意法半导体是主要推进者。
2022年9月，意法半导体全新推出Stellar P 系列车规MCU，Stellar P6由意法半导体自营晶圆厂制造，采用高能效28nm FD-SOI技术，内嵌容量高达20 MB的相变（非易失性）存储器(PCM)。
意法半导体介绍，Stellar P6由意法半导体自营晶圆厂制造，采用高能效28nm FD-SOI技术，内嵌容量高达20MB的相变（非易失性）存储器（PCM）。按照严格的汽车高温工作环境、抗辐射和数据保存要求开发测试，意法半导体PCM具有闪存没有的单比特覆写功能，使得访存速度更快。
那么，三种存储，孰强孰弱？
事实上，三种新型存储器不能简单粗暴地分出好坏，每种新型存储技能点分配都不一样，换句话说，就是侧重点并不一样：
• RRAM：比MRAM和PRAM研究稍晚；擦写速度由触发电阻转变的脉冲宽度决定，一般小于100ns；读写采用可逆无损害模式，可以大大提高使用寿命；部分RRAM材料具备多种电阻状态，可进一步提高存储密度；
• MRAM：一共三代MRAM/STT-MRAM/SOT-MRAM；制造成本高于RRAM，不过具备更高的可靠性和更低的可变性导致面积效率和稳健设计；写入时间可低至2.3ns，并且功耗极低；MRAM本身具备非易失性，但铁磁体磁性断电不会消失，故MRAM和DRAM一样可以无限次重写；具备在逻辑电路上构造大规模内存阵列的潜力；
• PCM：低延时、读写时间均衡、功耗低；读写具备非破坏性，耐写能力强；部分PCM采用非晶体管设计，可实现高密度存储；此外，PCM与材料带电粒子状态无关，故其具有很强的抗空间辐射能力。
四类新型非易失性存储器与NAND Flash指标综合对比图，图源丨科技中国
可以看出，三种路线中，所有巨头的时间点都是2024年，同时瞄准的市场也都是汽车MCU。
车载MCU尝鲜后的未来
为什么这种变革先发生在车载领域？因为汽车架构的改变以及算力需求，导致市场需要更高性能、更高存储容量的MCU。具体来说，几家厂商的新型存储产品瞄准的方向在于以下几个方面：
针对加速车内报文的路由处理能力的硬件化设计；
针对跨域融合的MCU硬件虚拟化功能；
满足ISOSAE 21434的信息安全解决方案；
针对MCU无感SOTA的优化设计；
针对跨域融合的大容量存储器；
针对新电子电气架构的高性能大算力的CPU。
相信未来，随着AI需求的扩大，下游智能设备的改变，新型存储成本和技术成熟度不断向前推进，未来新型存储也会逐渐扩展到整个MCU领域。而届时，整个MCU的制程也将不断向前推进。
