關(guān)于存儲(chǔ)器件，在數(shù)月之前我們提到過NOR FLASH，并簡(jiǎn)略地將之與EMMC、SRAM、NAND FLASH 等做過比較，其中，比較詳盡描述過NAND FLASH。

之前也提到過，自從全面屏手機(jī)的逐漸普及，NAND ?FLASH 市場(chǎng)份額一度擴(kuò)張明顯，而NOR FLASH市場(chǎng)略有收縮。而疫情帶來的影響仍在持續(xù)，平板電腦的銷量仍然呈現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，兩種FLASH都是必不可少的關(guān)鍵配件之一。以及，隨著5G相關(guān)應(yīng)用等的大舉發(fā)力，5G基站中NOR FLASH占盡優(yōu)勢(shì)，而相關(guān)配套產(chǎn)品和生態(tài)產(chǎn)品中，NAND FLASH又頻繁亮相。二者之間雖然在部分領(lǐng)域此消彼長(zhǎng)，但是，在譬如電視機(jī)機(jī)頂盒領(lǐng)域，仍然是親密無間的合作好伙伴。

NAND FLASH 和NOR FLASH 在譬如機(jī)頂盒這樣的領(lǐng)域的應(yīng)用是由它們各自的特點(diǎn)決定的。

很多情況下都是客戶基于高級(jí)安全的需求，NOR FLASH 負(fù)責(zé)Uboot啟動(dòng)程序的存，NAND FLASH 負(fù)責(zé)其他數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，一小一大兩個(gè)存儲(chǔ)空間，組合拳配合得天衣無縫。即：用小容量的Nor Flash存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼，比如uboot，系統(tǒng)啟動(dòng)后,初始化對(duì)應(yīng)的硬件，包括SDRAM等，然后將Nand Flash上的Linux 內(nèi)核讀取到內(nèi)存中，做好該做的事情后，就跳轉(zhuǎn)到SDRAM中去執(zhí)行內(nèi)核了，然后內(nèi)核解壓（非壓縮內(nèi)核直接運(yùn)行了）開始運(yùn)行，在Linux內(nèi)核啟動(dòng)最后，去Nand Flash上，掛載根文件，掛載完成，運(yùn)行初始化腳本，啟動(dòng)consle交互，才運(yùn)行和內(nèi)核交互。至此完成整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)過程。而Nor Flash存放的是Uboot，Nand Flash存放的是Linux的內(nèi)核鏡像和根文件系統(tǒng)，以及余下的空間分成一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)。

圖 1 NAND FLASH 和 NOR FLASH 比較

先簡(jiǎn)單回顧一下各自的特點(diǎn)。如圖1所示，NOR FLASH是現(xiàn)在市場(chǎng)上主要的非易失閃存技術(shù)，一般只用來存儲(chǔ)少量的代碼，主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，特點(diǎn)是應(yīng)用簡(jiǎn)單、無需專門的接口電路、傳輸效率高，它是屬于芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place)，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NOR flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場(chǎng)的大部分。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于FLASH的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口，以及壞塊的出現(xiàn)和標(biāo)記。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為1。擦除NOR FLASH時(shí)以64～128KB的塊進(jìn)行，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí)，工程師必須考慮到：

● NOR的讀速度比NAND稍快一些。

● NAND的寫入速度比NOR快很多。

● NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。

在需要使用的場(chǎng)合，還得考慮到NAND FLASH 有SLC 、MLC 、TLC。MLC和TLC產(chǎn)品可以輕松地提升容量并降低成本。然而，MLC 一次P/E循環(huán)需要不同的電壓多次擊穿氧化層，隨著使用時(shí)間增加，可靠性會(huì)下降，基于使用壞塊的糾錯(cuò)也會(huì)逐漸增多。如圖所示，MLC需要更精確的電壓控制，與SLC相比，寫入性能稍弱。故，雖然MLC容量大成本低，目前受市場(chǎng)和成本影響，汽車、消費(fèi)電子的出貨主力還是SLC NAND FLASH產(chǎn)品。

如圖2所示，在SLC閃存中，每個(gè)存儲(chǔ)單元僅存儲(chǔ)一位信息：邏輯0或邏輯1.單元的閾值電壓與單個(gè)電壓電平進(jìn)行比較，如果電壓高于電平，則該位被視為邏輯0。反之則為邏輯1。MLC (multi-level-cell）就是每個(gè)cell單元中有多個(gè)信號(hào)，通過控制不同的電壓來實(shí)現(xiàn)的，常見的是2個(gè)電信號(hào)的，它的信號(hào)組合有11，01，00，10四種，也就是可儲(chǔ)存的容量提升了。

圖 2 SLC 和MLC 的存儲(chǔ)電平邏輯

SLC由于只有兩個(gè)級(jí)別，因此兩個(gè)級(jí)別之間的電壓裕度可能非常高。這使得讀取單元格更容易，更快捷。原始誤碼率（RBER）也很低，因?yàn)橛捎谳^大的電壓余量，在讀取操作期間泄漏或干擾的影響較小。低RBER還減少了給定數(shù)據(jù)塊所需的ECC位數(shù)。大電壓裕量的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是磨損的影響相對(duì)較小，因?yàn)槲⑿〉碾姾尚孤┚哂邢鄬?duì)較低的影響。每個(gè)邏輯電平的更寬分布有助于以更低的電壓對(duì)單元進(jìn)行編程或擦除，這進(jìn)一步增加了單元的耐久性，進(jìn)而增加了壽命，即P / E循環(huán)的數(shù)量。

NAND Flash是目前閃存中最主要的產(chǎn)品，具備非易失、高密度、低成本的優(yōu)勢(shì)，NAND FLASH的這些特點(diǎn)由其特殊架構(gòu)決定。

在SLC NANDFLASH中，數(shù)據(jù)是以位（bit）的方式保存在Memory Cell中，一個(gè)Cell存儲(chǔ)一個(gè)bit，這些Cell或8個(gè)或16個(gè)為單位，連成bit line。這些line組合起來會(huì)構(gòu)成Page，而NAND閃存就是以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)。因?yàn)樗哂袃?yōu)秀的讀寫性能，有著較大的存儲(chǔ)容量和性價(jià)比，所以被廣泛用于 eMMC/EMcP，U盤，SSD等市場(chǎng)。由于NAND Flash不支持?jǐn)?shù)據(jù)的覆蓋，所以必須在空白的單元內(nèi)才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入。通常以page為單位寫入，以Block為單位擦除，擦除Block前需要先對(duì)里面的有效頁進(jìn)行搬遷。每個(gè)Block都有擦除次數(shù)限制（也就是使用壽命），所以這個(gè)時(shí)候NAND Flash的品質(zhì)就顯得相當(dāng)重要了。

對(duì)于客戶來說，由于在一個(gè)方案中的多處需要使用，積少成多，存儲(chǔ)器件的成本較為敏感。??

2019年9月，旺宏采用19nm制程的SLC NAND Flash正式量產(chǎn)出貨，第一批產(chǎn)品供應(yīng)美國機(jī)頂盒客戶，主要出貨產(chǎn)品為4Gb SLC NAND。電視機(jī)頂盒因?yàn)橄到y(tǒng)愈來愈復(fù)雜，若使用高容量NOR Flash成本太高，所以轉(zhuǎn)用容量更高的SLC NAND FLASH。現(xiàn)在一般機(jī)頂盒采用的NAND Flash容量大約在2Gb或4Gb，而且未來SLC NAND還會(huì)應(yīng)用在像4K／8K超高畫質(zhì)電視等消費(fèi)性產(chǎn)品。以及后續(xù)2020年受惠游戲機(jī)卡匣、5G基地臺(tái)、資料中心及筆電用存儲(chǔ)器出貨強(qiáng)勁成長(zhǎng)，旺宏的19nm SLC NAND FLASH將在眾多產(chǎn)品中成為中流砥柱。截至目前為止，19nm的SLC NAND FLASH為旺宏的營收帶來了不小的利潤發(fā)展空間，客戶涵蓋各類應(yīng)用，包括工控、醫(yī)療、安控等。其中，在3V供電電壓產(chǎn)品中，MX30/60L主要在工控產(chǎn)品、電視機(jī)、機(jī)頂盒等有大量出貨；MX30/60U（1.8v）產(chǎn)品主要在手機(jī)、嵌入式產(chǎn)品、數(shù)據(jù)卡等有較多的應(yīng)用。

鑒于成本敏感性，多年來，工廠通過縮小每代電路的寬度（以納米計(jì)量，1 納米 = 十億分之一米）來提高存儲(chǔ)密度并降低每 GB 的存儲(chǔ)成本。在認(rèn)識(shí)到不斷縮小的光刻技術(shù)的擴(kuò)展局限性之后，需要一種新的方法來增加每個(gè)設(shè)備的密度，同時(shí)降低每 GB 的相對(duì)成本，此時(shí)便出現(xiàn)了3D NAND FLASH。

16nm制程以上的閃存如28nm多屬于平面閃存，稱之為“2D NAND”。巨大需求推動(dòng)下的2D NAND 工藝不斷發(fā)展，向1znm（12-15nm）逼近， 平面微縮工藝的難度越來越大，接近物理極限，但盡管如此，存儲(chǔ)密度也很難突破128GB容量。并且?guī)淼某杀緝?yōu)勢(shì)開始減弱，16nm制程后，繼續(xù)采用2D 微縮工藝的難度和成本已超過3D技術(shù)，因此3D NAND開始成為主流。比如旺宏也計(jì)劃跟進(jìn)在2020年下半年實(shí)現(xiàn)48層128Mb的19nm 3D SLC NAND FLASH的量產(chǎn)。2021年量產(chǎn)96層256Mb的3D NAND Flash，2022年量產(chǎn)192層3D NAND FLASH。

圖 3 3D NAND 進(jìn)程

如圖3所示，3D NAND FLASH就是通過die堆疊技術(shù)，加大單位面積內(nèi)晶體管數(shù)量的增長(zhǎng)。3D NAND比2D NAND具有更高的存儲(chǔ)容量，若采用48層TLC 堆疊技術(shù)，存儲(chǔ)密度可提升至256GB，輕松突破了平面2D NAND 128GB 的存儲(chǔ)密度極限值。3D NAND主要依靠die堆疊，采用這種方式可以使得每顆芯片的儲(chǔ)存容量可以顯著增加，而不必增加芯片面積或者縮小單元，使用3D NAND可以實(shí)現(xiàn)更大的結(jié)構(gòu)和單元間隙，這有利于增加產(chǎn)品的耐用性。因此想要增加存儲(chǔ)空間就需要不斷的增加堆疊層數(shù)。

圖 4 CTF和FG技術(shù)

在發(fā)展3D NAND的過程中，廠商采用了兩種不同的存儲(chǔ)技術(shù)（如圖4所示）：電荷擷取技術(shù)(CTF, Charge Trap Flash)和浮柵(FG, Floating Gate)技術(shù)。

CTF電荷擷取技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理和過程更加簡(jiǎn)單，有利于加快產(chǎn)品進(jìn)程。此外，電荷存儲(chǔ)在絕緣層比存儲(chǔ)在導(dǎo)體浮柵中更加的可靠。與FGMOS相比，基于CTF電荷擷取技術(shù)的存儲(chǔ)器有許多優(yōu)點(diǎn)。可以在較低電壓下編程和擦除基于電荷阱的存儲(chǔ)器，從而提高耐用性。由于捕獲層（氮化物）是絕緣層，電荷不會(huì)泄漏，從而提高了可靠性。由于電荷不會(huì)從電荷阱的一側(cè)流到另一側(cè)，因此可以在同一阱層存儲(chǔ)多于一位的電荷。

FG浮柵技術(shù)從2D NAND開始已經(jīng)很成熟。浮柵晶體管或浮柵MOSFET（FGMOS）非常類似于常規(guī)MOSFET，區(qū)別在于它在柵極和溝道之間具有額外的電絕緣浮柵。由于浮柵是電隔離的，所以即使在去除電壓之后，到達(dá)柵極的電子也會(huì)被捕獲。這就是閃存非易失性的原理所在。另外，采用FG浮柵技術(shù)的3D NAND的存儲(chǔ)單元相互獨(dú)立，而采用CTF電荷擷取技術(shù)的3D NAND的存儲(chǔ)單元是連接在一起的。相比之下FG浮柵技術(shù)的存儲(chǔ)過程更具操作性。

3D NAND同時(shí)還具有更高的可靠性，NAND閃存一直有著電荷之間電場(chǎng)干擾問題,導(dǎo)致需要flash control芯片透過復(fù)雜的算法來防止和糾正這么干擾帶來的錯(cuò)誤,最后拖累了資料的傳輸速度。透過3D堆疊技術(shù)，單位儲(chǔ)存空間變大，電荷間的電場(chǎng)干擾降低，大幅提升了產(chǎn)品的可靠性，也因資料錯(cuò)誤降低，不僅提升了資料的傳輸速率，更因簡(jiǎn)化了糾錯(cuò)算法，進(jìn)而降低了功耗，一舉數(shù)得。進(jìn)一步凸顯了成本效益。

3D NAND FLASH是現(xiàn)在和未來，19nm 的2D NAND FLASH是過去和現(xiàn)在。目前，在車規(guī)的應(yīng)用中，旺宏有SLC NAND Flash有8Gb的MX60L系列，512Mb-4Gb的MX30L系列；在工控產(chǎn)品和通信產(chǎn)品中，有MX30U/L、MX60U/L系列；而3D NAND Flash， 48層128Mb 產(chǎn)品，如今正在量產(chǎn)中，19nm生產(chǎn)96層256Mb的3D NAND Flash，將在明年實(shí)現(xiàn)。

疫情帶來的影響還在持續(xù)，遠(yuǎn)程服務(wù)的諸多應(yīng)用持續(xù)帶動(dòng)數(shù)據(jù)中心需求，而消費(fèi)類電子產(chǎn)品的平板、筆記本電腦等也因遠(yuǎn)程辦公、教學(xué)需求，使得消費(fèi)額大幅增加。再加上疫情對(duì)于市場(chǎng)的影響，使得商家對(duì)于數(shù)據(jù)化企業(yè)管理與分析以及企業(yè)信息安全開始重視起來，這對(duì)于企業(yè)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)又有了更高容量的要求，對(duì)于大容量的NANDFLASH市場(chǎng)來說，無疑是個(gè)利好的消息。

旺宏19nm SLC NAND FLASH正在成為出貨的中流砥柱，尤其是大容量應(yīng)用方向。而提早布局的3D NAND FLASH制造，雖然大容量FLASH的目標(biāo)正在實(shí)現(xiàn)中，但是指向96層，128層的3D NAND FLASH制造方向逼近頂尖水平 ，不久的將來也將為其帶來可以預(yù)見的良好收入。就目前大批出貨19nm的小封裝大容量NAND FLASH來說，旺宏的產(chǎn)品仍然是市場(chǎng)的佼佼者，優(yōu)質(zhì)而兼具性價(jià)比。

fqj