NOR Flash技术

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发表于 2016-12-1 12:45:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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NOR Flash技术 半导体存储器是一个高度垄断的市场,其三大主流产品DRAM,NAND Flash,NOR Flash更是如此,尤其是前两者,全球市场基本被前三大公司占据,且近年来垄断程度逐步加剧。以DRAM和NAND两种主要存储芯片为例,2016年第一季度,DRAM市场93%份额由韩国三星、海力士和美国美光科技三家占据,而NAND Flash市场几乎全部被三星、海力士、东芝、闪迪、美光和英特尔等六家瓜分。 NOR Flash NOR Flash: 全球市场规模约30亿美元。相对DRAM和NAND来说,NOR市场要小的多,分散程度也更大,目前市场主要由美光、飞索半导体(被Cypress收购)、旺宏、三星、华邦、兆易创新、宜扬科技七家主导,前五家属于IDM模式,后两家属于Fabless模式,其中兆易创新是我国唯一一家在主流存储器设计行业掌握一定话语权的企业,其在NOR Flash领域进步飞速,2012年还仅占市占率的3.4%,到2013年已跃居11%,位列全球第四。 主流半导体存储器性能对比及未来发展趋势分析 半导体存储器种类繁多,不同产品技术原理不同,均各有优缺点和适用领域。例如SRAM(静态随机存储器)能利用触发器的两个稳态来表示信息0和1,即不需要刷新电路就能保存它内部存储的数据,故SRAM读写速度非常快,但是它非常昂贵,且功耗大,只用在CPU的一、二级缓存(Cache)等对存储速度要求很严格的地方。广泛运用的产品必定要能兼顾性能和成本,从市场规模来看,当下最主流的存储器是DRAM,NAND Flash,NOR Flash,这三者占据了所有半导体存储器规模的95%左右,尤其是前两者,占总规模约9成。 DRAM DRAM:动态随机存储器(Dynamic RAM),“动态”两字指的是每隔一段时间,要刷新充电一次,否则内部的数据即会消失。这是因为DRAM的基本单元是一个晶体管加一个电容,并用电容有无电荷来表示数字信息0和1,电容漏电很快,为防止电容漏电而导致读取信息出错,需要周期性地给DRAM的电容充电,故DRAM速度比SRAM慢。另一方面,这种简单的存储模式也使得DRAM的集成度远高于SRAM,一个DRAM存储单元仅需一个晶体管和一个小电容,而每个SRAM单元需要四到六个晶体管和其他零件,故DRAM在高密度(大容量)以及价格方面均比SRAM有优势。SRAM多用于对性能要求极高的地方(如CPU的一级二级缓冲),而DRAM则主要用于计算机的内存条等领域。 DRAM未来发展趋势: 受PC端拖累,整体规模下降:从整体来看,近年来移动市场表现强劲,PC端销售量受到侵蚀,再加上同时受累于全球GDP疲软等因素,包括IC Insights,WSTS等机构均预测16年DRAM市场规模会出现较大幅度的减弱。 移动终端内存条增长迅速:除了计算机内存条之外,移动终端的内存条也是DRAM的一大运用领域,得益于近几年来电子产品“移动化”的消费趋势,移动终端DRAM市场增长很快,2009年移动DRAM出货量还仅占整体DRAM的5.1%,到了14年这一比例已经激增为36%,并且仍然呈上升趋势,预计15年会突破50%。而在中国,由于人口众多,智能手机普及率逐年升高,移动端DRAM占比更是在2014年就已达到55%。 平面微缩趋近极限,3D 封装开辟新路: DRAM每一次制程的更新换代,都需要大量的投入,以制程从30 nm更新到20 nm为例,后者需要的光刻掩模版数目增加了30%,非光刻工艺步骤数翻倍,对洁净室厂房面积的要求也随着设备数的上升而增加了80%以上,此前这些成本都可以通过单晶圆更多的芯片产出和性能带来的溢价所弥补,但随着制程的不断微缩,增加的成本和收入之间的差距逐渐缩小。故各大厂商开始研究Z方向的扩展能力,三星率先从封装角度实现3D DRAM,采用TSV封装技术,将多个DRAM芯片堆叠起来,从而大幅提升单根内存条容量和性能。 NAND Flash 为更好地讲述NAND Flash和NOR Flash这两大存储产品,我们首先来认识一下Flash技术。  Flash存储器:又称闪存,它是一种非易失性存储器。闪存的存储单元是场效应晶体管,是一种受电压控制的三端器件,由源极(Source)、漏极(Drain)和栅极(Gate),以及衬底组成,在栅极与硅衬底间有二氧化硅绝缘层,用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。  NAND的擦和写均是基于隧道效应,电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层,对浮置栅极进行充电(写数据)或放电(擦除数据)。而NOR擦除数据仍是基于隧道效应(电流从浮置栅极到硅基层),但在写入数据时则是采用热电子注入方式(电流从浮置栅极到源极)。NAND Flash:NAND是目前闪存中最主要的产品,具备非易失,高密度,低成本的优势。在NAND闪存中,数据是以位(bit)的方式保存在Memory Cell中,一个Cell存储一个bit,这些Cell或8个或16个为单位,连成bit line,而这些line组合起来会构成Page,而NAND闪存就是以页为单位读写数据,以块为单位擦除数据,故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级,却也比传统的机械硬盘快3个数量级,被广泛用于 eMMC/EMCP,U盘,SSD等市场。 NAND未来发展趋势: eMMC/eMCP持续火热,嵌入式存储市场广泛: eMMC即嵌入式存储解决方案,它把MMC(多媒体卡)接口、NAND及主控制器都封装在一个小型的BGA芯片中,系统厂商只需要选择所需容量的eMMC芯片,而不用理会NAND品牌差异兼容性等问题,从而简化新产品推出过程。而eMCP则将eMMC与LPDDR封装为一体,可进一步减小模块体积,简化电路连接设计,主要应用于高端智能手机中。2014年,eMMC/eMCP受移动终端增长拉动,需求旺盛,在NAND比重达到25%,年复合增长率接近60%。eMMC 5.0已经是国内终端手机标配。此外,大容量eMCP模块的占比也会增加,美光预计到2018年,32GB(eMMC)+24GB(LPDDR)的eMCP模块占比将超过40%。 SSD前景可期: 除嵌入式产品之外,SSD也是NAND的主战场之一,大数据存储和高速传输需求让500GB以上的SSD在服务器市场需求快速增加。而在PC端,HDD也逐渐无法抵挡SSD的攻势,从2010到2015年,主流HDD的性能,容量,成本几乎没有太大变化,而SSD却是紧跟摩尔定律,在读写速度,容量等方面都进步极大,性价比飙升 技术上由2D向3D 转变: 目前,16nm、28nm仍然是NAND Flash的主流制程,不过随着2D NAND Flash制程微缩逐渐逼近物理极限, 平面微缩工艺的难度越来越大,尤其是进入16nm后,继续采用平面微缩工艺的难度和成本已经超过3D TSV技术,几大存储器龙头公司在13-14年均已成功量产16nm NAND,但出于经济意义和未来发展前景的考虑,这些公司都没有进一步推出更小的平面制程,而是纷纷开始转攻3D NAND。 NOR Flash NOR Flash:NOR Flash 的特点是芯片内执行(XIP,Execute In Place),即应用程序不必再把代码读到系统RAM中,而是可以直接在Flash闪存内运行。NOR 的传输效率很高,读取速度也比NAND快很多,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,然而其擦除是以64-128KB的块为单位进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,而NAND器件的擦除则是以8-32KB的块为单位进行,执行相同的操作最多只需要4ms,故其很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。此外,NOR的单元尺寸几乎是NAND flash的两倍,故在成本上也不具备优势,这使得NOR的使用范围受到了更大的限制,不少曾属于NOR的市场也慢慢被其他存储器所夺取,但NOR flash厂商也并没有坐以待毙,而是积极开拓汽车电子等物联网市场。近年来NOR flash市场规模持续萎缩。 NOR Flash 未来发展趋势: 车用电子发展势头好: 过去NOR Flash芯片主要应用多数以手机为主,用来储存代码程序,但自从智能型手机开始导入eMMC解决方案后,手机中采用NOR Flash比重大幅降低,被NAND夺取了智能手机这一大市场的NOR只能另寻战场,目前发展的最好的当属车用电子市场,且在车体本身和外围娱乐导航等车载设备系统都能看到到NOR Flash的身影,Honda、Toyota采用美光的NOR Flash芯片,Nissan则联手东芝,其采用的内嵌式NOR Flash芯片容量大多是230Mb以上。 工控,网通领域增长快: 除车用电子之外,NOR Flash芯片也大量导入工控领域、网通设备等领域,且同样多采用高容量NOR Flash芯片,未来成长空间仍相当可观。 并行衰弱,串行增长:   并行NOR闪存由于管脚多,集成度低等缺点,已经逐渐被管脚少,集成度高的串行NOR闪存所取代,近年来全球NOR Flash市场规模总体变化不大,但内部来看则呈现串行NOR Flash增长,并行NOR Flash衰退的趋势。 传统存储器的挑战VS.新型存储器的机遇   目前存储器行业的主要矛盾是日益增长的终端产品性能需求和尚未出现重大突破的技术之间的矛盾。具体一点来说,是内存和外存之间巨大的性能差异造成了电子产品性能提升的主要瓶颈。这几年SSD成为电脑性能发烧友的最爱,就是因为传统的机械硬盘的传输速度往往在200MB/s以内,寻道时间约为10ms级;而采用NAND闪存的SSD传输速度为数百MB/s到几GB/s,寻道时间约为0.1ms以内,极大的速度提升让人感觉像是换了一个电脑。然而即便是顶级的SSD,其延迟也是百微秒级别,离DRAM的十几纳秒相差近万倍,传输速度也慢了一个数量级,这就使得DRAM的性能不能全部发挥出来。  三大存储技术各有不足   除了内存和外存之间的性能差异之外,三大主流半导体存储器本身也存在各种不足:  DRAM:数据易失,容量小。尽管DRAM各项性能都很优秀——纳秒级别的延迟,数十GB/S的带宽,接近于“长生不老”的寿命;然而它是易失性存储器,即断电后数据会丢失,而且,其成本比闪存高,容量也较小。此外,尽管平面微缩离物理极限还有一定的距离,但是在18/16nm之后,继续在二维方向缩减尺寸已不再具备成本和性能方面的优势。  NAND:延迟长,寿命短,平面微缩已到极限。NANDflash具有低成本(相对DRAM),低功耗,非易失,体积小等优点,但由于其每次写入数据时需要施加高压,让电子突破晶体管的氧化膜进入浮动栅极,这一过程会对氧化膜造成不可逆的损害,性能最好的SLC NAND,读写次数也只有10万次左右,而差一些的MLC,TLC的读写寿命均以千次为量级。制程微缩方面的情况和DRAM类似,进入16nm后,2D NAND的成本在急剧上升,继续采用平面微缩工艺的难度和成本已经超过3D TSV技术,同时微缩之后绝缘层也需要相应减薄,在薄到一定程度之后,电子在电压不满足的情况下也可能会发生隧穿效应,从而影响芯片的可靠性。  NOR: 容量小,写入擦除速度慢。NOR Flash的优点是应用程序可以直接在Flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中,故其传输效率很高,读取速度快,在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益,主要被用来存储程序。然而NOR的器件结构要求其在进行擦除前先要将所有的位都写入0,这就使得其擦除速度很低,同时由于闪存在写入数据之前,均要求进行擦除,故这也会影响到NOR的写入速度。  综述所述,现有存储器的问题主要有内外存性能不匹配、内存不具备非易失性、外存微缩难度大等等,因此不少企业和研究机构都迫切想要研发出新型的存储器,希望其能同时具有 DRAM 的高速度高寿命和FLASH 的低成本非易失的优点。
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