特色工艺，台积电怎么看？

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如今，随着先进制程研发成本激增、量子隧穿效应等物理极限逼近，传统工艺升级的红利日益收窄。在摩尔定律逐渐放缓的当下，半导体行业正从单一依赖制程微缩的路径转向多元化创新。

其中，先进封装技术的兴起为芯片性能的进一步优化提供了新的思路。此外，特色工艺的发展更是成为推动半导体产业多元化和差异化竞争的关键力量。

不同于追求晶体管密度极致的先进制程（如3nm、2nm），特色工艺以其定制化、多样化制程优化能力，聚焦特定应用场景的深度优化，通过整合异构技术、材料创新、器件架构革新等手段，实现性能、功耗与成本的精准平衡，在汽车电子、工业控制、物联网等对可靠性与功能集成要求严苛的领域，展现出不可替代的优势。

据相关数据统计，当前全球特色工艺市场规模已突破500亿美元，年复合增长率达15%，远超半导体行业平均增速。

在此背景和趋势下，台积电、联电、中芯国际等厂商正加速布局，其中台积电以“技术广度+生态深度”构建起特色工艺的全球标杆：从存储技术领域的RRAM、MRAM，到满足汽车电子严苛要求的车规级工艺，再到针对特定应用的功率器件和射频工艺，凭借其深厚的技术积累和强大的研发实力，台积电不断拓展特色工艺的边界，为全球半导体产业的多元化发展注入了关键动能。

台积电特色工艺全景

台积电作为全球领先的晶圆代工厂，拥有丰富的特色工艺组合，涵盖多个技术领域。在台积电2025技术研讨会上，台积电执行副总经理暨共同营运长米玉杰博士介绍了台积电的特色工艺技术，为汽车、ULP/IoT（超低功耗和物联网）、RF（射频）、eNVM（嵌入式非易失性存储器）、高电压显示、CIS（CMOS图像传感器）和电源IC提供最全面的解决方案，助力连接数字世界与现实世界。

汽车电子与高压技术：汽车客户采用台积电最先进的逻辑技术，从N7A、N5A到N3A，通过汽车级认证，专为ADAS、自动驾驶和智能座舱设计，支持高可靠性和长生命周期需求；BCD-Power工艺：集成双极晶体管、CMOS和DMOS器件，提供高压（如40-90V）解决方案，适用于汽车电源管理、工业控制等场景，提升系统集成度。

低功耗与物联网：台积电N4e工艺针对超低功耗物联网AI设备优化，结合嵌入式非易失性存储器（eNVM），实现高效能与低成本的平衡；ULP（超低功耗）技术提供超低漏电晶体管和低电压解决方案，适用于可穿戴设备和传感器节点。

射频：边缘AI的兴起对无线通信和数据传输速度提出更高要求，以与云端AI协作。这一趋势增加了RF-SoC的复杂性、尺寸和功耗需求。台积电的先进RF CMOS技术提供有效的功耗和面积扩展，提升产品竞争力和优化用户体验。此外，该技术增强了模拟单元、LDMOS、低VDD覆盖和低噪声器件等特性。通过设计创新和系统集成实现更大的产品差异化。

高电压显示：在显示技术方面，台积电推出了业内首款FinFET HV（高电压，High Voltage）平台。与28HV相比，16HV预计将显示驱动IC功耗降低约28%，逻辑密度提升约40%。N16 HV还为AI玻璃显示引擎提供平台，具备更小的外形和占地面积、超同步像素和ULP消耗。

CIS产品：台积电还在低像素领域开创了CIS产品，LOFIC（横向溢流集成电容器）采用像素内高密度电容器。得益于台积电的3D高密度MIM电容器，LOFIC像素设计达到新高度，该技术为智能手机提供约100 dB高动态范围视频能力，消除运动模糊，并支持汽车ADAS的高帧率成像。它提供120 dB无LED闪烁的动态范围，同时不牺牲低光性能和分辨率。

台积电助力eFlash瓶颈破局

此外，尤为值得关注的是eNVM（嵌入式非易失性存储器）领域，台积电通过车规级RRAM、低功耗MRAM等技术，突破传统eFlash的扩展极限。米玉杰博士介绍，传统eFlash（嵌入式闪存）在28纳米达到扩展极限。非易失性存储器技术正转向RRAM（电阻式随机存取存储器）和MRAM（磁性随机存取存储器），从40、28纳米继续扩展到16/12纳米。

其中，RRAM具有最少的工艺复杂性，可满足所有eFlash应用要求。基于BEOL（后端工艺）层构建，实现完全逻辑兼容。台积电的40、28和22纳米RRAM自2022年起量产，12纳米RRAM已准备好接受消费产品客户流片。此外，台积电22纳米RRAM已通过汽车应用认证，预计12纳米RRAM很快也将满足同样严格的汽车要求。RRAM将在未来几年进一步扩展到6纳米。

继RRAM之后，MRAM同样基于BEOL工艺，逻辑兼容。MRAM提供卓越的性能和可靠性，适合最严格的汽车和工业应用。台积电的22纳米MRAM已量产，16纳米MRAM已准备好接受客户。同时，台积电还在开发12纳米MRAM，以提升逻辑密度和性能，MRAM也将在未来几年扩展到5纳米。

同时，台积电的RRAM和MRAM还能与其现有汽车电子特色工艺（如N3A、BCD-Power）形成协同，完善汽车芯片的存储+逻辑整合解决方案。此外，RRAM/MRAM的低功耗特性，能与台积电ULP（超低功耗）技术平台互补，满足物联网设备长期待机需求。

能看到，这些技术已从研发转入商业化阶段，属于能够或即将实际落地的特色工艺组合。台积电在eNVM领域的特色技术突破，通过RRAM和MRAM替代传统eFlash，解决了传统eFlash在28nm以下节点的扩展难题，满足了汽车、IoT、工业等特定场景的存储需求，更通过与先进工艺和封装技术的协同，推动MCU、传感器、连接芯片等在汽车、IoT、工业领域的创新应用，是台积电特色工艺体系中存储技术板块的重要组成部分。

随着边缘计算、智能驾驶等场景对本地存储需求的爆发，台积电eNVM技术正成为支撑下一代智能设备的关键底层技术之一。相比之下，三星的汽车级 eNVM（如28nm MRAM）尚未实现大规模商用，英特尔的嵌入式MRAM良率仍在提升中。

综合来看，通过将先进制程与特色技术结合，通过3D封装、存算一体等技术，台积电在积极推动芯片架构从“功能集成”向“系统重构”演进，并且与英飞凌、联发科、恩智浦等头部客户联合研发，形成“工艺-IP-产品”闭环，能为客户提供从芯片设计到系统集成的一站式解决方案。

未来，台积电还计划推出3D RRAM MCU与硅光子集成平台，并实现自旋轨道转矩（SOT）RRAM量产，将凭借这些差异化优势进一步巩固其在特色工艺领域的全球领导地位。这一技术路径不仅为客户提供性能与成本的最优解，更将重塑半导体行业的创新范式。

基于在非易失性存储（NVM）领域的广泛布局和技术突破，台积电的 RRAM/MRAM 凭借高可靠性和逻辑兼容性，能够为MCU、传感器等芯片提供“存储-逻辑”一体化解决方案。

在这一技术变革中，MCU大厂正与代工厂深度协同，借特色工艺突破性能天花板——英飞凌AURIX™的车规级eMRAM、恩智浦S32G的eRRAM、意法半导体STM32L的低功耗 eFeRAM...等等，这些融合新型存储技术的MCU产品，正重塑汽车电子、工业控制等领域的技术架构。

MCU市场，eFlash迎来倒计时？

众所周知，近年来MCU一直在40nm徘徊，直到近期MCU才开始向先进制程突破。其之所以迟迟跟不上先进制程的节奏，原因之一便是eFlash这个“拖油瓶”。

回顾历史能够发现，早在上世纪90年代，凭借可编程性、非易失性和片内嵌入性等特性，eFlash在当时数十亿美元的MCU行业开启了“eFlash创新”时代。从1991年开始的0.8微米技术节点，eFlash技术已与标准CMOS逻辑技术相结合，使MCU在2015年就达到了28nm的产品水平。

而此后多年，随着16nm FinFET、FD-SOI等技术的演进，使得eFlash渐渐跟不上时代发展的节奏。可以说，eFlash作为MCU片上的老兵，虽然行业已经利用浮栅、SONOS或SG-MONOS等技术开发了多代产品，但在面对更为复杂的需求时，包括更高的性能功耗比、更高的存储密度、数字电路密度等，疲态尽显。

图源：电子工程世界

存储界普遍认为，28nm/22nm硅光刻节点将是eFlash的最后一个经济高效的技术节点，这并非因为可扩展性限制，而是考虑到成本和工艺的结果。

一方面，由于制造28nm及以下的eFlash需要9-12层甚至更多层掩模，在追求极致性价比的MCU中，eFlash的性价比不复存在；另一方面，更高的eFlash工艺节点会带来可靠性问题。随着器件规模超过40nm，eFlash系统的可靠性不仅受到eFlash存储单元的限制，还受到外围晶体管和金属互连的限制。这对先进的 eFlash 设计提出了巨大挑战。

此外，难以与先进的逻辑工艺集成、占用太多的系统功耗预算、可重写次数太少从而加速eFlash的老化等等，也成为eFlash在MCU应用中面临的一大挑战。

图源：电子工程世界

尤其是随着终端市场需求越来越复杂，MCU逐渐向200MHz以上主频、低功耗和大容量存储方向发展，加之多核异构需求，其片上的大多器件制程也需要压到28nm以下，eFlash的制程限制越来越明显。

对此，行业厂商们纷纷开始探索新的潜在替代技术，目前市场有多种新型存储器已经开始用在MCU内——eRRAM（嵌入式阻变存储）、eMRAM（嵌入式磁性存储器）、ePCM（嵌入式相变存储器）、eFeRAM（嵌入式铁电存储器）等，这些技术能够显著提高MCU性能，降低整体功耗，基于这些eNVM方案打造的产品，将能更好的服务于智能汽车、端侧AI、物联网等领域。

MCU大厂，技术路线分化

英飞凌：看好eRRAM技术

在新型存储技术探索中，英飞凌与台积电合作，将eRRAM（嵌入式阻变存储器）技术应用于其下一代AURIX MCU中。

RRAM作为结构最简单的存储技术，是通过改变电介质的电阻来工作。RRAM可兼具DRAM的读写速度和SSD非易失性，因此具有高读写速度、高耐久性、单个单元能存储多位数据等特性，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。

以成本为例，28nm及以下的闪存会面临需要额外增加9-12层掩膜版，导致成本升高，而RRAM由于采用简单的内存单元结构与材料，因此只需多增加一层掩膜版，就能够整合于现有的制造流程，进而可以实现更低的生产成本。

在28nm节点引入RRAM，有利于MCU产品的尺寸缩减、功耗降低、性能提升等。据悉，2021年底英飞凌宣布推出TC4XX系列MCU；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，之后开始正式量产。

英飞凌宣布，其下一代 Aurix 微控制器将采用先进的eRRAM技术，而非传统的嵌入式闪存（eFlash）。这一创新将搭载在台积电的28nm工艺节点上，为汽车行业带来革命性的变

恩智浦：MRAM路线推动者

MRAM（磁阻随机存取存储器）的核心原理是利用材料的磁阻效应，即材料的电阻会随着外部磁场的变化而变化，该存储技术拥有非易失性、读写次数近乎无限、写入速度极快、功耗低，以及逻辑芯片整合度高等特点。

eMRAM可与16nm FinFET等先进制程工艺无缝集成，这是eFlash所不能企及的特性。因此，NXP的高端车用MCU非常适合采用eMRAM作为存储方案。对此，NXP与台积电合作在2023年开发了16nm FinFET工艺的嵌入式MRAM IP，计划用于S32Z与S32E处理器中，面向汽车应用。

前不久，恩智浦发布首款16nm嵌入式MRAM汽车MCU S32K5，突破性能界限的同时实现安全高效，写入速度比传统闪存快15倍，这使得车载应用中的固件更新更加高效且可靠。集成机器学习加速器与安全加密技术，为软件定义汽车提供可扩展的智能平台，支持实时处理传感器数据并确保全生命周期安全升级，2025年第三季度开放样品申请。

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。随着基于软件的功能在车辆中越来越广泛，更新频率将增加，MRAM的速度和稳健性将变得更加重要。与此同时，MRAM的非易失性和抗辐射特性使其在极端环境下表现出色，为特殊领域的MCU提供了更优的选择。

有业内人士预测，S32K5的量产将引发多米诺骨牌效应——其MRAM技术可能终结eFlash在车规存储领域的主导地位，而16nm工艺带来的能效优势或将迫使竞争对手提前布局更先进制程。在这场由车规级MCU驱动的技术竞赛中，恩智浦正通过S32K5系列重新划定智能汽车的算力疆界。

瑞萨：推进STT-MRAM技术

瑞萨也是eMRAM技术的主要推进者。

据悉，瑞萨的MRAM基于自主研发，类别上属于STT-MRAM（自旋注入式MRAM）。

2022年6月，瑞萨推出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。

据介绍，采用22nm嵌入式MRAM工艺制造了具有10.8Mbit 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。

瑞萨在基于16nm与22nm节点逻辑电路的测试表明，MRAM能够带来更强的读写速度和能效表现，进而增强MCU的整体性能。不同于其他原厂将先进eNVM方案用于车芯，瑞萨集成STT-MRAM技术的MCU将主要应用在物联网领域，当然未来也存在用于车芯的可能。

作为MRAM的一种变体，STT-MRAM附近电子的自旋会影响MTJ的极性。与其他形式的 MRAM相比，STT-MRAM具有更低的功耗和进一步扩展的能力，虽然STT-MRAM具有与 DRAM和 SRAM相当的性能，比如即使切断电源，信息也不会丢失，而且和DRAM一样可随机存取；STT-MRAM可擦写次数超过1015次，与DRAM和SRAM相当,大大超出了闪存的擦写次数。IMEC在2018年IEEE IEDM 会议上就曾展示了在5nm技术节点引入STT-MRAM作为最后一级 (L3) 缓存存储器的可行性，因此很多人认为STT-MRAM会改变“存储器（硬盘及NAND闪存）为非易失性、更高层级的内存（DRAM及SRAM）为易失性”的传统计算机架构，有望成为领先的存储技术。

ST：主推PCM相变存储器方案

在新型存储方面，意法半导体（ST）一直是微控制器嵌入式存储器相变存储器 (ePCM) 的主要推进者，尤其是汽车应用。

ePCM的原理是通过改变温度，让相变材料在低电阻结晶（导电）状态与高电阻非结晶（非导电）状态间转换，具有高写入速度、低功耗和高耐久性等优点，它在低电压下的读写速度比eFlash及其他多种eNVM具有显著优势，且在28nm节点的制造成本要比eFlash更低。

或许是性能过于优异，PCM率先登上了MCU的舞台，据此前新闻报道，在28纳米世代以后的生产技术中，MCU厂家率先发布的eNVM技术就是ePCM。

实际上，早在2000年意法半导体就开始研究PCM，并与英特尔合作，2005年意法半导体和英特尔共同开发了90nm的PCM技术，2008年两家公司合并了各自的分立存储器业务，成立了 Numonyx NV 合资企业，随后被美光收购。

2018年，意法半导体宣布内建ePCM的28nm FD-SOI车用MCU技术架构和性能标准，开始提供主要客户搭载ePCM的MCU样片。2022年9月，意法半导体推出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的相变存储器(PCM)。

根据ST的说法，这项技术改变了无线（OTA）更新的过程——即PCM能够支持不间断的OTA更新。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。

据了解，意法半导体还在主推18nm相变存储器（PCM）技术，其与三星联合推出集成嵌入式相变存储器（ePCM）的18nm FD-SOI工艺，并计划于2025年下半年将基于该工艺的首款STM32 MCU量产。

Stellar产品家族不仅代表着意法半导体在汽车MCU领域的最新突破，更凭借其独特的嵌入式非易失性存储器技术，成为了市场上最为成熟且紧凑的汽车级存储单元解决方案。这一技术不仅填补了行业在eFlash之后的空白，更以其前瞻性的设计，赢得了广泛的关注。

TI：瞄准FRAM

德州仪器（TI）则选择了FRAM（铁电随机存取存储器）作为其技术路线的重点方向。

FRAM利用铁电材料的独特物理特性来实现数据存储，以其高可靠性、低功耗和快速写入能力著称，尤其适用于恶劣环境下的应用。FRAM能够承受频繁的读写操作而不损失性能，同时还具备出色的抗辐射能力，这种特性使得TI的MCU产品在高温、高压或强电磁干扰环境中表现出卓越的耐用性。

综上所述，40nm尤其是28nm之后的节点，MCU的嵌入式存储方案也需要更新。各大MCU原厂在这方面技术路线各异，但都争取达到更高的存储密度、更快的读写速度与更低的功耗，以迎合智能汽车、端侧AI等市场的需求。

能看到，各种新型eNVM方案，往往兼具RAM的速度和Flash的非易失性，从而为MCU的技术创新打下坚实基础。在这些新的方案达到成熟稳定之后，MCU的产品形态也必将迎来焕新。

与此同时，代工厂商在MCU制造领域的角色也在不断强化。台积电凭借其领先的工艺技术，逐渐成为高端MCU生产的主力供应商，为MCU厂商提供了更具成本效益的解决方案，还通过优化工艺参数和材料配方，进一步提升了MCU在高频运行条件下的性能表现。

这一趋势从市场角度也能得到反馈，用于MCU的嵌入式NVM也在快速增长。据Yole数据显示，新兴eNVM晶圆产量从2023年的约3 KWPM将增长到2029年的约110 KWPM (CAGR23-29~80%)。就收入而言，预计嵌入式NVM市场到2029年可能达到约26亿美元，其中三种主要的eNVM 技术具有类似的增长潜力。

除了新兴存储路线外，很多厂商也在选择加大eFlash的容量。但相对来说，新兴存储技术潜力更高，具备较大优势。

后eFlash时代，新型存储重塑MCU生态

几种新型存储技术不能简单粗暴地分出好坏，因为每种存储类型的侧重点不同：

RRAM：比MRAM和PCM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：制造成本高于RRAM，不过具备更高的可靠性和更低的可变性，提升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。

总而言之，每种存储技术都各有优缺点，并没有完美的存在。

同时，还有观点表示，未来将呈现多种存储技术共存，而非单一替代的趋势。

针对分层存储架构，MCU内部采用“eMRAM（高速缓存）+eRRAM（程序存储）+外置NOR Flash（大容量数据）”组合，平衡存储速度与容量。在工艺协同创新方面，台积电计划在12nm节点实现“MRAM+RRAM”混合存储单元，MRAM 负责高频读写（如控制参数），RRAM存储固件，单芯片存储密度将提升30%。

与此同时，与先进制程深度整合，突破“存储墙”也成为业界聚焦的重点，例如16nm FinFET与新型存储技术协同，支持 MCU 在 16nm 节点实现 “存储-计算” 同构集成，相比28nm方案性能提升40%，功耗降低 50%；此外还有厂商计划量产3D eMRAM MCU，通过 TSV将存储层（22nm MRAM）与计算层（12nm FinFET）堆叠，单芯片集成度提升至100MB存储+200MHz CPU，适用于机器人控制器。

总体来看，新型存储正在重塑MCU产业格局，推动MCU进入“后eFlash时代”，走向“多元存储驱动”的技术红利期。这一趋势下，台积电、英飞凌、意法半导体、恩智浦、瑞萨、TI等技术领先者将持续受益。

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