2025年，僅半年時間內(nèi)，ST、恩智浦、瑞薩等頭部MCU廠商幾乎同時發(fā)布搭載新型嵌入式存儲（如PCM、MRAM）的汽車MCU產(chǎn)品，打破了MCU長期以來以嵌入式Flash為主的技術(shù)格局。雖然談“標配”仍為時尚早，但可以肯定的是：新型存儲已經(jīng)從“嘗試”躍升為“戰(zhàn)略布局”，并開始對MCU生態(tài)產(chǎn)生深遠影響。

過去，MCU是一種“小而美”的器件，用于基本控制邏輯。但近幾年，它正在向“小而強”進化：工藝從傳統(tǒng)40nm邁向22nm、16nm甚至更先進節(jié)點；集成AI加速、安全單元、無線模塊……成為“汽車大腦”“邊緣算力中樞”的候選主力。

這背后，一個被長期忽視但至關(guān)重要的技術(shù)正在“補短板”：嵌入式存儲技術(shù)（eNVM）的革命。

在“軟件定義汽車”的趨勢下，OEM與Tier1廠商面臨前所未有的挑戰(zhàn)：ECU復雜度激增，功能高度集中；OTA更新、AI推理、模型加載，軟件“越堆越厚”；存儲空間與讀寫性能已成為整車架構(gòu)瓶頸。而傳統(tǒng)Flash在密度、速度、功耗和耐用性上早已力不從心。在這樣的背景下，新型存儲器（PCM、MRAM）成了MCU進化的關(guān)鍵武器。

ST選擇相變存儲器（PCM）

相變存儲器（PCM）是一種新興的非易失性存儲技術(shù)，其基礎(chǔ)原理是通過材料的相變（從非晶態(tài)到結(jié)晶態(tài)）來存儲信息。PCM的基本機制是由斯坦福大學的Robert Ovshinsky于20世紀60年代發(fā)明的。意法半導體擁有這項原始開發(fā)成果的專利授權(quán)，ST是第一個將PCM真正落地在汽車級MCU中的廠商。

ST在官網(wǎng)中也對PCM的工作原理進行了介紹，PCM采用鍺銻碲 (GST) 合金制造而成，其在制造過程中利用了材料可在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)之間進行快速熱控制變化的物理特性。上述狀態(tài)分別與邏輯0和邏輯1相對應，可通過非晶態(tài)（邏輯0）的高電阻和結(jié)晶態(tài)（邏輯1）的低電阻進行電氣區(qū)分。PCM支持在低電壓下進行讀寫操作，且與Flash和其他嵌入式存儲器技術(shù)相比，具有多項實質(zhì)性的優(yōu)勢。

PCM的工作原理（圖源：ST）

經(jīng)過多年的研發(fā)，2025年4月，ST推出帶有xMemory的Stellar，這是嵌入其Stellar系列汽車微控制器的新一代可擴展內(nèi)存，Stellar xMemory 的核心就是意法半導體專有的相變存儲器 (PCM) 技術(shù)。意法半導體稱其擁有業(yè)界最小的合格存儲位單元，可徹底改變開發(fā)軟件定義汽車 (SDV) 和不斷發(fā)展的電氣化平臺的挑戰(zhàn)性過程。

據(jù)悉，ST的Stellar P和G系列汽車MCU都將搭載采 xMemory的最新一代PCM技術(shù)。Stellar P和Stellar G 系列適用于集中式區(qū)域控制器、域控制器和車身應用的 Stellar Integration MCU。最先推出的會是Stellar P6 MCU，該系列MCU旨在滿足電動汽車 (EV) 全新動力傳動系統(tǒng)趨勢和架構(gòu)的需求，并將于2025 年下半年投產(chǎn)。

采用xMemory技術(shù)的Stellar無需管理多個具有不同內(nèi)存選項的設(shè)備，也無需承擔相關(guān)的開發(fā)和認證成本，只需一個具有可擴展內(nèi)存的創(chuàng)新設(shè)備，即可為客戶提供高效且經(jīng)濟的解決方案。這種從一開始就簡化的方法使汽車制造商能夠面向未來設(shè)計，并在開發(fā)周期的后期留出更多創(chuàng)新空間，從而降低開發(fā)成本并通過更精簡的供應鏈加快產(chǎn)品上市時間。

采用FD-SOI技術(shù)的嵌入式PCM位單元的橫截面，其中顯示了可在結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)之間快速翻轉(zhuǎn)存儲單元的加熱裝置。

ST指出，在SDV生命周期初期選擇合適的 MCU，可確保為未來的軟件開發(fā)提供充足的片上內(nèi)存。如今，選擇過高的內(nèi)存規(guī)格會增加成本，而選擇過低的內(nèi)存規(guī)格則可能需要后續(xù)尋找并重新認證具有額外內(nèi)存的其他 MCU，從而增加復雜性、成本和延遲。采用 xMemory 的 Stellar MCU 價格極具競爭力，可帶來更多成本節(jié)省，簡化 OEM 供應鏈，并通過延長產(chǎn)品生命周期和最大限度地提高項目間的復用率來縮短認證時間，從而加快產(chǎn)品上市速度。

恩智浦和瑞薩，擁抱MRAM

磁阻式RAM（MRAM）則是另一類非易失性存儲“黑科技”，MRAM 利用磁性材料的物理特性實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，具備超高的寫入速度、低功耗以及極強的耐用性。MRAM已經(jīng)被恩智浦、瑞薩等公司廣泛采用。

恩智浦是較早推出MRAM MCU的汽車MCU廠商，今年3月份，恩智浦半導體宣布推出其 S32K5系列汽車MCU，這是業(yè)界首款基于16nm FinFET 工藝、內(nèi)置MRAM的 MCU，標志著其發(fā)展的重要里程碑。S32K5 系列旨在擴展恩智浦 CoreRide 平臺，提供預集成的區(qū)域和電氣化系統(tǒng)解決方案，支持可擴展軟件定義汽車 (SDV) 架構(gòu)的演進。

汽車制造商越來越多地采用分區(qū)架構(gòu)，每種架構(gòu)都有其獨特的方法來集成和分配電子控制單元 (ECU) 的功能。這些解決方案的核心是先進的 MCU 架構(gòu)，它將實時性能與低延遲、確定性通信和創(chuàng)新的隔離功能融為一體。

高性能MRAM的加入顯著加快了 ECU 編程速度，無論是在出廠設(shè)置下還是在無線 (OTA) 更新過程中。MRAM 的寫入速度比傳統(tǒng)嵌入式閃存快 15 倍以上，增強了汽車制造商在車輛整個生命周期內(nèi)部署新軟件功能的靈活性。

2025年7月，瑞薩也發(fā)布了內(nèi)置MRAM的MCU，不過與恩智浦相比，工藝為22nm。該設(shè)備配備了1MB MRAM和2MB SRAM。據(jù)稱，采用MRAM是第二代RA8系列的一大特色。除了高耐用性和數(shù)據(jù)保存能力外，MRAM還具有高速讀寫、無需擦除和低功耗等優(yōu)勢。瑞薩電子在國際半導體集成電路會議（ISSCC 2024）上發(fā)布了面向高性能微控制器的MRAM高速讀寫技術(shù)，RA8P1就采用了該技術(shù)。

對于需要更大內(nèi)存容量的應用，該設(shè)備配備了支持XIP/DOTF的八路SPI接口和32位外部總線接口。此外，還提供集成4MB或8MB外部閃存的系統(tǒng)級封裝(SiP)產(chǎn)品。外圍功能方面，它支持并行攝像頭輸入、MIPI-CSI2、串行音頻輸入以及通過PDM實現(xiàn)的多模態(tài)AI語音輸入。此外，它還配備了16位AD轉(zhuǎn)換器、圖形HMI功能以及各種串行接口。

臺積電：MRAM與RRAM雙線并進

作為全球晶圓代工龍頭，臺積電對新型存儲技術(shù)押注了兩大技術(shù)：MRAM和RRAM。

在 2025 技術(shù)研討會上，臺積電執(zhí)行副總經(jīng)理暨共同營運長米玉杰博士指出：“eFlash 技術(shù)已在 28nm 工藝節(jié)點遭遇擴展瓶頸，新一代 NVM（非易失性存儲器）必須在更先進制程中替代其角色。”

由此，臺積電明確提出將 RRAM 和 MRAM 兩種嵌入式存儲技術(shù)分別導入 22nm、16nm、12nm，并進一步推進至 6nm 和 5nm 節(jié)點。

臺積電是目前為數(shù)不多已經(jīng)實現(xiàn)RRAM大規(guī)模量產(chǎn)的廠商。目前，臺積電已在 40nm、28nm 和 22nm 工藝上實現(xiàn) RRAM 量產(chǎn)，并通過了汽車級認證。12nm RRAM 亦已進入客戶流片階段，6nm版本正在推進中。英飛凌新一代 AURIX MCU就采用了臺積電的 eRRAM 技術(shù)，成為其汽車平臺的重要嵌入式存儲解決方案。

RRAM的優(yōu)勢在于：工藝復雜度低，可直接部署于后端金屬層（BEOL）；完全兼容邏輯制程，適配多類 MCU 架構(gòu)；尤其適合面向功耗敏感、成本控制嚴苛的消費與車規(guī)應用。

相較之下，MRAM 雖工藝更復雜，但具備優(yōu)越的性能特性：寫入速度是 Flash 的十數(shù)倍；非易失性存儲+極強耐久性；適用于需要高速寫入、頻繁 OTA 更新、AI 推理等復雜任務的場景。對于追求算力密度、數(shù)據(jù)吞吐與實時性能的車載計算平臺（如 ADAS、AI SoC 等），MRAM 可能是 eFlash 后最理想的存儲補位者。

臺積電目前已經(jīng)在 22nm 工藝節(jié)點實現(xiàn) MRAM 量產(chǎn)，16nm MRAM 進入客戶準備階段，12nm 正在研發(fā)中。更激進的路線圖還包括未來拓展至5nm節(jié)點。

2025年5月，臺積電宣布將在德國慕尼黑設(shè)立其首個歐洲設(shè)計中心（EUDC），重點圍繞汽車應用的 MRAM 存儲技術(shù)進行研發(fā)與客戶支持。這一中心將成為臺積電全球第十個設(shè)計中心，并計劃于 2025年第三季度正式啟用，服務領(lǐng)域涵蓋汽車、工業(yè)、AI、電信及物聯(lián)網(wǎng)等。這也意味著，臺積電不僅在工藝平臺上推動新型存儲普及，更在全球布局中深入整車開發(fā)生態(tài)圈。

除了橫向推進工藝節(jié)點，臺積電還在以下方向謀求技術(shù)突破：

3D RRAM MCU：推動嵌入式存儲堆疊封裝，釋放更多片上空間；

SOT MRAM（自旋軌道轉(zhuǎn)矩）：相比傳統(tǒng)STT-MRAM功耗更低、寫入更快，有望進入大規(guī)模量產(chǎn)；

硅光子平臺：結(jié)合光互連與存儲接口，面向數(shù)據(jù)中心和邊緣算力布局。

這些技術(shù)的落地將進一步鞏固臺積電在特色工藝與嵌入式存儲生態(tài)中的領(lǐng)先地位。

存儲計算一體化趨勢

不論是PCM、MRAM還是RRAM，它們不僅僅是存儲器替代品，更是MCU架構(gòu)變革的催化劑。新型存儲技術(shù)如PCM、MRAM和RRAM代表了一種更深層次的“存儲計算一體化”趨勢，這不僅僅是單純的存儲介質(zhì)替代問題，而是存儲架構(gòu)與計算架構(gòu)之間的協(xié)同演化。

在MCU領(lǐng)域，存儲和計算的邊界正在變得越來越模糊。在傳統(tǒng)的MCU中，存儲和計算是分開的模塊，計算通過中央處理器（CPU）或?qū)Ｓ眉铀倨鬟M行，而存儲則通過外部或內(nèi)部的閃存、SRAM等器件進行數(shù)據(jù)存儲和管理。但隨著計算任務的復雜化，尤其是機器學習、AI 推理和邊緣計算的應用需求日益增長，存儲和計算的分離顯得日益不適應。

MRAM和PCM等新型存儲器的加入，為“存儲計算一體化”提供了新的契機。特別是 PCM 通過其相變特性，不僅具備非易失性存儲功能，還能在某些應用中發(fā)揮“近計算”的作用，減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，進一步加速數(shù)據(jù)處理過程。MRAM的高速讀寫特性也使得它能與計算模塊協(xié)同工作，在 AI 邊緣推理、實時數(shù)據(jù)處理等場景下提高處理效率。

在AI邊緣化、OTA碎片化、軟件敏捷化的今天，MCU的“智能化”越發(fā)依賴于內(nèi)存能力。預計未來的 MCU 架構(gòu)將越來越多地將存儲和計算結(jié)合，打造更高效、靈活且具有智能化能力的系統(tǒng)。

結(jié)語

過去十年，我們習慣將MCU視作“控制”系統(tǒng)的代表，其內(nèi)嵌存儲只是配套組件；但在AI、SDV、邊緣智能紛至沓來的時代，存儲正在從幕后走向臺前，成為計算架構(gòu)不可分割的核心。這不僅是一次材料的更替、工藝的演進，更是MCU從“可用”走向“可擴展”、“可演進”的關(guān)鍵一步。

在這場由嵌入式存儲引發(fā)的微控制器升級潮中，我們看到的不僅是頭部廠商的路線分化，也預見到整個產(chǎn)業(yè)鏈條——從代工到工具鏈、從汽車到工業(yè)應用——正在加速適配與演進。這場轉(zhuǎn)型，才剛剛開始。

但我們也應能想到，這些新型存儲器的制造對材料、工藝和設(shè)計協(xié)同提出了更高要求，目前仍主要掌握在少數(shù)國際頭部廠商和代工巨頭手中。對于國產(chǎn)MCU廠商而言，這既是挑戰(zhàn)，更是必須迎頭趕上的關(guān)鍵戰(zhàn)役。