閃存的一些基本概念及其技術融合趨勢[圖]

　　為了提高競爭力，各大半導體廠商都會盡一切努力進行新技術的研發，開發出高速度、大容量、高可靠性以及低功耗、低成本的產品成為各個廠商的共同目標，NAND與NOR的融合也被業界普遍認為是未來的趨勢。

　　受益於消費電子產品的旺盛需求，Flash閃存已取代RAM成為存儲器家族中最主要的力量，市場規模高速擴張，三星、英特爾、Spansion等半導體廠商也成為最大的受益者。根據邏輯結構的不同，Flash閃存主要可分為NAND和NOR型兩種，前者可提供更大的容量，但不支持代碼本地執行，讀速度也較慢(但寫入速度較快)；而NOR型閃存支持代碼本地運行，讀速度也稍快(寫入速度稍慢)，但主要缺點在於很難實現較高的存儲密度。不同的特性讓這兩者分別屬於不同的市場：NAND廣泛用於數據存儲相關的領域，如移動存儲產品、各種類型的閃存卡、音樂播放器等，而NOR型閃存主要用於手機、掌上電腦等需要直接運行代碼的場合。兩者一向涇渭分明、互不乾擾。

　　不過，由於手機市場起步較早(1999年開始全球流行)、整體規模很大，NOR閃存也就長期居於主導地位，出貨量佔據閃存整體份額的60%以上；NAND閃存雖然應用領域更為廣泛，但受累於數碼產品的用戶群較小，整體規模反而不如NOR閃存。然而，近兩年此種格局悄悄發生了逆轉：應用的成熟與價格平民化讓數碼相機、音樂播放器、移動存儲器快速向主流人群普及，大容量NAND閃存的需求也因此極其強勁，受益於此，NAND閃存市場一直呈現高速增長態勢。但與之形成鮮明對比的是，手機產品從2004下半年開始就陷入相對低迷狀態，致使NOR閃存需求的增速減緩。此消彼漲，NAND閃存的市場規模在2005年最終超過NOR成為閃存家族中的主力軍，而掌上電子產品的功能日趨強大，對大存儲容量的要求如飢似渴，業界普遍認為NAND的發展潛力將遠高於NOR型閃存，並將擊敗後者成為閃存家族中的絕對主導。

　　然而，NAND閃存要完全替代NOR閃存並不現實，雖然它的容量遠大於NOR，但NAND低速、不夠可靠、無法支持代碼本地執行的先天缺陷一直難以克服。如果在手機、掌上電腦產品中只采用NAND，將會出現系統啟動速度慢、較容易死機的嚴重問題，也正因為如此，NOR的地位依然十分穩固。而許多設備廠商為了在自己的產品中提供較強的數據存儲功能，往往采用同時集成NOR(用於運行本地程序)、RAM(用於裝載程序運行的數據)以及NAND(用於個人數據的存放)三種不同類型的存儲器件，但此種方案不僅設計復雜，產品的成本也比較高，不利於推廣。至於閃存廠商對NAND、NOR之間的壁壘也甚為不滿，多數閃存廠商都希望自己的產品能夠滿足全方位的需求，以此獲取更大的市場份額。開發兩者相融合的新型閃存技術就成為業界共識，在這方面，三星與Spansion走在前面。以NAND業務為主的三星公司在2003年提出OneNAND技術方案，兼顧NAND高容量和NOR快速等優點，希望籍此從NOR閃存廠商手中搶奪市場份額；而只有NOR業務的Spansion(AMD與富士通閃存業務的合資公司，NOR閃存的第二大廠)也在2004年提出功能類似的ORNAND技術，希望能夠從NAND市場的高增長中分享成果。這樣，新一代閃存市場將形成三星OneNAND與Spansion ORNAND對壘的局面。盡管這兩項技術提出已久，但在近兩年來它們一直都有新的技術發展，OEM市場也從2005年下半年開始逐步接受，業界認為這兩者有希望與傳統的NAND、NOR共存，成為閃存家族的又一大主力，這也是我們直到現在纔介紹這兩項技術的主要理由。

　　閃存的一些基本概念

　　在介紹OneNAND和ORNAND之前，我們非常有必要對NAND、NOR閃存的技術差異和應用作進一步的探討。

　　NAND、NOR閃存的基本原理

　　無論NAND還是NOR，都是閃存(Flash Memory)家族中的成員，兩者在基本的數據存儲方式和操作機理上都完全相同。閃存以單晶體管作為二進制信號的存儲單元，它的結構與普通的半導體晶體管(場效應管)非常類似，區別在於閃存的晶體管加入了『浮動柵(floating gate)』和『控制柵(Control gate)』—前者用於貯存電子，表面被一層硅氧化物絕緣體所包覆，並通過電容與控制柵相耦合。當負電子在控制柵的作用下被注入到浮動柵中時，該NAND單晶體管的存儲狀態就由1變成0。相對來說，當負電子從浮動柵中移走後，存儲狀態就由0變成1；而包覆在浮動柵表面的絕緣體的作用就是將內部的電子『困住』，達到保存數據的目的。如果要寫入數據，就必須將浮動柵中的負電子全部移走，令目標存儲區域都處於1狀態，這樣只有遇到數據0時纔發生寫入動作—但這個過程需要耗費不短的時間，導致不管是NAND還是NOR型閃存，其寫入速度總是慢於數據讀取的速度。

　　雖然基本原理相同，但閃存可以有不同的電荷生成與存儲方案。其中應用最廣泛的是『通道熱電子編程(Channel Hot Electron，CHE)』，該方法通過對控制柵施加高電壓，使傳導電子在電場的作用下突破絕緣體的屏障進入到浮動柵內部，反之亦然，以此來完成寫入或者抹除動作；另一種方法被稱為『Fowler-Nordheim(FN)隧道效應法』，它是直接在絕緣層兩側施加高電壓形成高強度電場，幫助電子穿越氧化層通道進出浮動柵。NOR閃存同時使用上述兩種方法，CHE用於數據寫入，支持單字節或單字編程；FN法則用於擦除，但NOR不能單字節擦除，必須以塊為單位或對整片區域執行擦除操作，由於擦除和編程速度慢、塊尺寸也較大，使得NOR閃存在擦除和編程操作中所花費的時間很長，無法勝任純數據存儲和文件存儲之類的應用，但它的優點是可支持代碼本地直接運行；其次，NOR閃存采用隨機存儲方式，設備可以直接存取任意區域的數據，因此NOR閃存底部有大量的信號引腳，且每個單晶體管都需要輔助讀寫的邏輯，晶體管利用效率較低、容量不佔優勢。而NAND閃存采用FN法寫入和擦除，且采用一種『頁面-塊』尋址的統一存儲方式，單晶體管的結構相對簡單，存儲密度較高，擦除動作很快，但缺陷在於讀出性能平平且不支持代碼本地執行。另一個不可忽視的地方在於，NAND閃存很容易出現壞塊，制造商通過虛擬映射的方式將其屏蔽，這一點很類似於硬盤。

　　目前，NOR陣營的廠商主要有英特爾與Spansion，後者為AMD與富士通閃存部門合並成立的新企業，英特爾目前的市場份額稍高，而Spansion則在技術上具有一定的優勢，該公司在2005年10月份推出1Gb容量的NOR閃存，創下NOR的最高容量記錄。NAND領域的半導體廠商主要包括三星、現代(Hynix)、東芝、美國IM快閃科技(英特爾與美光科技近日成立的合資公司)等，其中三星佔據的份額超過50%，居絕對的領先地位，該公司在2005年9月份推出16Gb密度的NAND閃存，但要等到今年下半年纔有機會進入實質性的量產階段。

　　圖1 Flash閃存的基本存儲單元(Cell)結構示意

　　OEM廠商采用的應用方案

　　NOR與NAND的不同特性決定了兩者不可能取代對方。在NAND虎視眈眈的手機領域，各廠商傳統上只有NOR+RAM、NOR+NAND+RAM兩種組合模式，它們都是采用NOR作為程序存儲及執行的器件，RAM則用於存放運行過程中要用到的數據。由於NOR可以直接執行代碼，無需動用RAM資源，使得對應的手機產品具有啟動速度快、操作反應靈敏、功耗低等優點。其中，NOR+RAM多見於歐美品牌、注重商務功能的手機產品中，而NOR+NAND+RAM方案多出了NAND閃存作為圖像、音頻、個人數據的存儲器件，多見於日系品牌的高端手機和音樂手機產品中。由於娛樂型手機發展前景看好，控制芯片廠商也普遍在新一代產品中集成了NAND控制功能，這對於NAND的應用非常有助益。

　　然而，NAND陣營顯然不滿足於此，為了全盤取代NOR，NAND陣營的半導體廠商一直在鼓吹NAND+RAM方案，它的組成架構非常類似於電腦中的硬盤和內存。NAND用於存儲系統程序，采用『代碼映射(ode shadowing)』技術運行，也就是代碼和數據都必須載入到RAM後方可執行。此種架構乍看起來似乎沒什麼問題，但代碼映射架構要求在NAND和RAM之間進行大量的代碼復制工作，性能無法得到保證，且代碼映射帶來的高功耗也是一個大問題。采用此種架構的手機產品普遍存在開機短暫暗屏(代碼載入時手機不可操作)、系統操作反應遲滯、電池使用時間不夠長等弊病，加之NAND一旦出現壞區，系統就有可能出現運行故障，用戶自身又很難修復。盡管NAND陣營的支持者一直強調NAND在容量和寫入速度方面的優勢，但在上述問題得到最終克服之前，手機廠商顯然不怎麼樂意采用這樣的方案，這也是NAND陣營在進入手機市場方面一直雷聲大、雨點小的主要緣由。而對三星公司來說，傳統型NAND既然無力直接取代NOR，寄希望給OneNAND再自然不過，而事實上，OneNAND也具有這樣的潛力。