为了提高竞争力,各大半导体厂商都会尽一切努力进行新技术的研发,开发出高速度、大容量、高可靠性以及低功耗、低成本的产品成为各个厂商的共同目标,NAND与NOR的融合也被业界普遍认为是未来的趋势。
受益于消费电子产品的旺盛需求,Flash闪存已取代RAM成为存储器家族中最主要的力量,市场规模高速扩张,三星、英特尔、Spansion等半导体厂商也成为最大的受益者。根据逻辑结构的不同,Flash闪存主要可分为NAND和NOR型两种,前者可提供更大的容量,但不支持代码本地执行,读速度也较慢(但写入速度较快);而NOR型闪存支持代码本地运行,读速度也稍快(写入速度稍慢),但主要缺点在于很难实现较高的存储密度。不同的特性让这两者分别属于不同的市场:NAND广泛用于数据存储相关的领域,如移动存储产品、各种类型的闪存卡、音乐播放器等,而NOR型闪存主要用于手机、掌上电脑等需要直接运行代码的场合。两者一向泾渭分明、互不干扰。
不过,由于手机市场起步较早(1999年开始全球流行)、整体规模很大,NOR闪存也就长期居于主导地位,出货量占据闪存整体份额的60%以上;NAND闪存虽然应用领域更为广泛,但受累于数码产品的用户群较小,整体规模反而不如NOR闪存。然而,近两年此种格局悄悄发生了逆转:应用的成熟与价格平民化让数码相机、音乐播放器、移动存储器快速向主流人群普及,大容量NAND闪存的需求也因此极其强劲,受益于此,NAND闪存市场一直呈现高速增长态势。但与之形成鲜明对比的是,手机产品从2004下半年开始就陷入相对低迷状态,致使NOR闪存需求的增速减缓。此消彼涨,NAND闪存的市场规模在2005年最终超过NOR成为闪存家族中的主力军,而掌上电子产品的功能日趋强大,对大存储容量的要求如饥似渴,业界普遍认为NAND的发展潜力将远高于NOR型闪存,并将击败后者成为闪存家族中的绝对主导。
然而,NAND闪存要完全替代NOR闪存并不现实,虽然它的容量远大于NOR,但NAND低速、不够可靠、无法支持代码本地执行的先天缺陷一直难以克服。如果在手机、掌上电脑产品中只采用NAND,将会出现系统启动速度慢、较容易死机的严重问题,也正因为如此,NOR的地位依然十分稳固。而许多设备厂商为了在自己的产品中提供较强的数据存储功能,往往采用同时集成NOR(用于运行本地程序)、RAM(用于装载程序运行的数据)以及NAND(用于个人数据的存放)三种不同类型的存储器件,但此种方案不仅设计复杂,产品的成本也比较高,不利于推广。至于闪存厂商对NAND、NOR之间的壁垒也甚为不满,多数闪存厂商都希望自己的产品能够满足全方位的需求,以此获取更大的市场份额。开发两者相融合的新型闪存技术就成为业界共识,在这方面,三星与Spansion走在前面。以NAND业务为主的三星公司在2003年提出OneNAND技术方案,兼顾NAND高容量和NOR快速等优点,希望籍此从NOR闪存厂商手中抢夺市场份额;而只有NOR业务的Spansion(AMD与富士通闪存业务的合资公司,NOR闪存的第二大厂)也在2004年提出功能类似的ORNAND技术,希望能够从NAND市场的高增长中分享成果。这样,新一代闪存市场将形成三星OneNAND与Spansion ORNAND对垒的局面。尽管这两项技术提出已久,但在近两年来它们一直都有新的技术发展,OEM市场也从2005年下半年开始逐步接受,业界认为这两者有希望与传统的NAND、NOR共存,成为闪存家族的又一大主力,这也是我们直到现在才介绍这两项技术的主要理由。
闪存的一些基本概念
在介绍OneNAND和ORNAND之前,我们非常有必要对NAND、NOR闪存的技术差异和应用作进一步的探讨。
NAND、NOR闪存的基本原理
无论NAND还是NOR,都是闪存(Flash Memory)家族中的成员,两者在基本的数据存储方式和操作机理上都完全相同。闪存以单晶体管作为二进制信号的存储单元,它的结构与普通的半导体晶体管(场效应管)非常类似,区别在于闪存的晶体管加入了“浮动栅(floating gate)”和“控制栅(Control gate)”—前者用于贮存电子,表面被一层硅氧化物绝缘体所包覆,并通过电容与控制栅相耦合。当负电子在控制栅的作用下被注入到浮动栅中时,该NAND单晶体管的存储状态就由1变成0。相对来说,当负电子从浮动栅中移走后,存储状态就由0变成1;而包覆在浮动栅表面的绝缘体的作用就是将内部的电子“困住”,达到保存数据的目的。如果要写入数据,就必须将浮动栅中的负电子全部移走,令目标存储区域都处于1状态,这样只有遇到数据0时才发生写入动作—但这个过程需要耗费不短的时间,导致不管是NAND还是NOR型闪存,其写入速度总是慢于数据读取的速度。
虽然基本原理相同,但闪存可以有不同的电荷生成与存储方案。其中应用最广泛的是“通道热电子编程(Channel Hot Electron,CHE)”,该方法通过对控制栅施加高电压,使传导电子在电场的作用下突破绝缘体的屏障进入到浮动栅内部,反之亦然,以此来完成写入或者抹除动作;另一种方法被称为“Fowler-Nordheim(FN)隧道效应法”,它是直接在绝缘层两侧施加高电压形成高强度电场,帮助电子穿越氧化层通道进出浮动栅。NOR闪存同时使用上述两种方法,CHE用于数据写入,支持单字节或单字编程;FN法则用于擦除,但NOR不能单字节擦除,必须以块为单位或对整片区域执行擦除操作,由于擦除和编程速度慢、块尺寸也较大,使得NOR闪存在擦除和编程操作中所花费的时间很长,无法胜任纯数据存储和文件存储之类的应用,但它的优点是可支持代码本地直接运行;其次,NOR闪存采用随机存储方式,设备可以直接存取任意区域的数据,因此NOR闪存底部有大量的信号引脚,且每个单晶体管都需要辅助读写的逻辑,晶体管利用效率较低、容量不占优势。而NAND闪存采用FN法写入和擦除,且采用一种“页面-块”寻址的统一存储方式,单晶体管的结构相对简单,存储密度较高,擦除动作很快,但缺陷在于读出性能平平且不支持代码本地执行。另一个不可忽视的地方在于,NAND闪存很容易出现坏块,制造商通过虚拟映射的方式将其屏蔽,这一点很类似于硬盘。
目前,NOR阵营的厂商主要有英特尔与Spansion,后者为AMD与富士通闪存部门合并成立的新企业,英特尔目前的市场份额稍高,而Spansion则在技术上具有一定的优势,该公司在2005年10月份推出1Gb容量的NOR闪存,创下NOR的最高容量记录。NAND领域的半导体厂商主要包括三星、现代(Hynix)、东芝、美国IM快闪科技(英特尔与美光科技近日成立的合资公司)等,其中三星占据的份额超过50%,居绝对的领先地位,该公司在2005年9月份推出16Gb密度的NAND闪存,但要等到今年下半年才有机会进入实质性的量产阶段。
图1 Flash闪存的基本存储单元(Cell)结构示意
OEM厂商采用的应用方案
NOR与NAND的不同特性决定了两者不可能取代对方。在NAND虎视眈眈的手机领域,各厂商传统上只有NOR+RAM、NOR+NAND+RAM两种组合模式,它们都是采用NOR作为程序存储及执行的器件,RAM则用于存放运行过程中要用到的数据。由于NOR可以直接执行代码,无需动用RAM资源,使得对应的手机产品具有启动速度快、操作反应灵敏、功耗低等优点。其中,NOR+RAM多见于欧美品牌、注重商务功能的手机产品中,而NOR+NAND+RAM方案多出了NAND闪存作为图像、音频、个人数据的存储器件,多见于日系品牌的高端手机和音乐手机产品中。由于娱乐型手机发展前景看好,控制芯片厂商也普遍在新一代产品中集成了NAND控制功能,这对于NAND的应用非常有助益。
然而,NAND阵营显然不满足于此,为了全盘取代NOR,NAND阵营的半导体厂商一直在鼓吹NAND+RAM方案,它的组成架构非常类似于电脑中的硬盘和内存。NAND用于存储系统程序,采用“代码映射(ode shadowing)”技术运行,也就是代码和数据都必须载入到RAM后方可执行。此种架构乍看起来似乎没什么问题,但代码映射架构要求在NAND和RAM之间进行大量的代码复制工作,性能无法得到保证,且代码映射带来的高功耗也是一个大问题。采用此种架构的手机产品普遍存在开机短暂暗屏(代码载入时手机不可操作)、系统操作反应迟滞、电池使用时间不够长等弊病,加之NAND一旦出现坏区,系统就有可能出现运行故障,用户自身又很难修复。尽管NAND阵营的支持者一直强调NAND在容量和写入速度方面的优势,但在上述问题得到最终克服之前,手机厂商显然不怎么乐意采用这样的方案,这也是NAND阵营在进入手机市场方面一直雷声大、雨点小的主要缘由。而对三星公司来说,传统型NAND既然无力直接取代NOR,寄希望给OneNAND再自然不过,而事实上,OneNAND也具有这样的潜力。
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