關(guān)于存儲器件，在數(shù)月之前我們提到過NOR FLASH，并簡略地將之與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，自從全面屏手機的逐漸普及，NAND ?FLASH 市場份額一度擴張明顯，而NOR FLASH市場略有收縮。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)增長的態(tài)勢，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，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，但是，在譬如電視機機頂盒領(lǐng)域，仍然是親密無間的合作好伙伴。

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

很多情況下都是客戶基于高級安全的需求，NOR FLASH 負責(zé)Uboot啟動程序的存，NAND FLASH 負責(zé)其他數(shù)據(jù)存儲，一小一大兩個存儲空間，組合拳配合得天衣無縫。即：用小容量的Nor Flash存儲啟動代碼，比如uboot，系統(tǒng)啟動后,初始化對應(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)核直接運行了）開始運行，在Linux內(nèi)核啟動最后，去Nand Flash上，掛載根文件，掛載完成，運行初始化腳本，啟動consle交互，才運行和內(nèi)核交互。至此完成整個系統(tǒng)啟動過程。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數(shù)據(jù)區(qū)。

圖 1 NAND FLASH 和 NOR FLASH 比較

先簡單回顧一下各自的特點。如圖1所示，NOR FLASH是現(xiàn)在市場上主要的非易失閃存技術(shù)，一般只用來存儲少量的代碼，主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，特點是應(yīng)用簡單、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閃存市場的大部分。NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達到高存儲密度，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單的，而NOR則要求在進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時以64～128KB的塊進行，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

當(dāng)選擇存儲解決方案時，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，隨著使用時間增加，可靠性會下降，基于使用壞塊的糾錯也會逐漸增多。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，目前受市場和成本影響，汽車、消費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，每個存儲單元僅存儲一位信息：邏輯0或邏輯1.單元的閾值電壓與單個電壓電平進行比較，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cell單元中有多個信號，通過控制不同的電壓來實現(xiàn)的，常見的是2個電信號的，它的信號組合有11，01，00，10四種，也就是可儲存的容量提升了。

圖 2 SLC 和MLC 的存儲電平邏輯

SLC由于只有兩個級別，因此兩個級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，因為由于較大的電壓余量，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優(yōu)點是磨損的影響相對較小，因為微小的電荷泄漏具有相對較低的影響。每個邏輯電平的更寬分布有助于以更低的電壓對單元進行編程或擦除，這進一步增加了單元的耐久性，進而增加了壽命，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，NAND FLASH的這些特點由其特殊架構(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Cell存儲一個bit，這些Cell或8個或16個為單位，連成bit line。這些line組合起來會構(gòu)成Page，而NAND閃存就是以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)。因為它具有優(yōu)秀的讀寫性能，有著較大的存儲容量和性價比，所以被廣泛用于 eMMC/EMcP，U盤，SSD等市場。由于NAND Flash不支持數(shù)據(jù)的覆蓋，所以必須在空白的單元內(nèi)才可以進行數(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前需要先對里面的有效頁進行搬遷。每個Block都有擦除次數(shù)限制（也就是使用壽命），所以這個時候NAND Flash的品質(zhì)就顯得相當(dāng)重要了。

對于客戶來說，由于在一個方案中的多處需要使用，積少成多，存儲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)美國機頂盒客戶，主要出貨產(chǎn)品為4Gb SLC NAND。電視機頂盒因為系統(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?，F(xiàn)在一般機頂盒采用的NAND Flash容量大約在2Gb或4Gb，而且未來SLC NAND還會應(yīng)用在像4K／8K超高畫質(zhì)電視等消費性產(chǎn)品。以及后續(xù)2020年受惠游戲機卡匣、5G基地臺、資料中心及筆電用存儲器出貨強勁成長，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、機頂盒等有大量出貨；MX30/60U（1.8v）產(chǎn)品主要在手機、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（以納米計量，1 納米 = 十億分之一米）來提高存儲密度并降低每 GB 的存儲成本。在認識到不斷縮小的光刻技術(shù)的擴展局限性之后，需要一種新的方法來增加每個設(shè)備的密度，同時降低每 GB 的相對成本，此時便出現(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，存儲密度也很難突破128GB容量。并且?guī)淼某杀緝?yōu)勢開始減弱，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。比如旺宏也計劃跟進在2020年下半年實現(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。3D NAND比2D NAND具有更高的存儲容量，若采用48層TLC 堆疊技術(shù)，存儲密度可提升至256GB，輕松突破了平面2D NAND 128GB 的存儲密度極限值。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)實現(xiàn)原理和過程更加簡單，有利于加快產(chǎn)品進程。此外，電荷存儲在絕緣層比存儲在導(dǎo)體浮柵中更加的可靠。與FGMOS相比，基于CTF電荷擷取技術(shù)的存儲器有許多優(yōu)點?？梢栽谳^低電壓下編程和擦除基于電荷阱的存儲器，從而提高耐用性。由于捕獲層（氮化物）是絕緣層，電荷不會泄漏，從而提高了可靠性。由于電荷不會從電荷阱的一側(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，到達柵極的電子也會被捕獲。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的存儲單元相互獨立，而采用CTF電荷擷取技術(shù)的3D NAND的存儲單元是連接在一起的。相比之下FG浮柵技術(shù)的存儲過程更具操作性。

3D NAND同時還具有更高的可靠性，NAND閃存一直有著電荷之間電場干擾問題,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誤,最后拖累了資料的傳輸速度。透過3D堆疊技術(shù)，單位儲存空間變大，電荷間的電場干擾降低，大幅提升了產(chǎn)品的可靠性，也因資料錯誤降低，不僅提升了資料的傳輸速率，更因簡化了糾錯算法，進而降低了功耗，一舉數(shù)得。進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，將在明年實現(xiàn)。

疫情帶來的影響還在持續(xù)，遠程服務(wù)的諸多應(yīng)用持續(xù)帶動數(shù)據(jù)中心需求，而消費類電子產(chǎn)品的平板、筆記本電腦等也因遠程辦公、教學(xué)需求，使得消費額大幅增加。再加上疫情對于市場的影響，使得商家對于數(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，對于大容量的NANDFLASH市場來說，無疑是個利好的消息。

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)品仍然是市場的佼佼者，優(yōu)質(zhì)而兼具性價比。

fqj