閃存的一些基本概念及其技術融合趨勢[圖]

　　Spansion ORNAND閃存

　　Spansion是AMD與富士通的閃存業務在2003年重組合並後成立的企業，在成立伊始，Spansion一度佔據NOR閃存市場的領導地位，後來英特爾以半導體制造技術及成本方面的優勢成功反超，Spansion在NOR領域的市場份額屈居第二。盡管如此，Spansion強大的技術實力為業界所公認，在NOR領域，Spansion以MirrorBit技術實現NOR產品的高密度化，後來Spansion又在該技術的基礎上推出ORNAND新概念閃存，它集NAND的高密度、高寫入速度與NOR高讀取速度、高可靠性等優點於一身，堪稱NAND的有力競爭對手。但由於Spansion的資源不夠充足，一直未能將ORNAND推向市場，直到2005年9月底該公司纔宣布將在今年中期以90納米工藝來生產ORNAND閃存。這樣在三星的OneNAND之後，市場上將出現第二種融合NAND、NOR特點的通用型閃存產品，這對於閃存市場的未來發展無疑有著深遠的影響。

　　決定存儲密度的三種實現技術

　　由於ORNAND是以第二代MirrorBit技術為基礎，因此我們必須預先來介紹MirrorBit。第一代MirrorBit技術由AMD公司在2001年提出，目的是克服NOR閃存密度低的缺陷，開發出較大容量的產品。而憑借這項技術，AMD逐漸在大容量NOR閃存領域獲得領先優勢。2003年，AMD發布更成熟的第二代MirrorBit，並同時推出基於該技術的512Mb NOR閃存，創下NOR閃存容量的最高紀錄。同年AMD與富士通閃存部門重組成立了Spansion，MirrorBit便歸於新公司的旗下。2004年，Spansion將第二代MirrorBit技術投入量產，一舉奠定了自己在高容量NOR產品中的絕對優勢。直到今天，Spansion都是唯一能夠大量供應512Mb NOR產品的閃存廠商。與之相比，英特爾雖然依靠低價獲得市場領先，但它目前纔開始進入512Mb NOR的量產階段，技術開發上落後於Spansion。

　　我們在前面詳細介紹了閃存的基本原理：每個基本存儲單元(CELL)都有貯存電子的浮動柵，對應二進制數據的存儲。NOR和NAND型閃存有SLC(Single-Level-Cell，單極單元)和MLC(Multi-Level-Cell，多級單元)兩種技術方案，其中SLC也是最傳統的方式：一個存儲單元對應一個比特位數據，其優點是技術成熟可靠、高性能和較長的使用壽命，為了彌補容量方面的不足，閃存廠商往往采用多核心封裝或芯片堆疊技術，它也是當前最主要的NAND/NOR閃存技術方案。而MLC技術由英特爾在1997年9月開發成功，其目的是讓一個浮動柵(Floating Gate)能夠表示兩個比特位的信息。為了達成這一目的，英特爾采取一種類似於Rambus QRSL的電荷控制技術，通過精確控制浮動柵上的電荷數量，使其呈現出4種不同的存儲狀態，每種狀態代表兩個二進制數值(00、01、10到11)，通過這種虛擬的方式實現存儲密度的翻倍。在英特爾之後，東芝公司也開發出類似的MLC方案，並將其用於NAND閃存的生產。然而，MLC存在一些非常嚴重的先天缺陷。MLC必須以成對的兩個比特位作為基本的操作單位，導致其存在功耗較高，使用壽命只有SLC方案的十分之一(MLC閃存的使用壽命只有最多10000次寫入)。與之相比，SLC方案雖然存儲密度較低，但具有高性能、低能耗和長使用壽命的優勢，且可通過技術手段來提昇SLC閃存的存儲容量。也正是由於這些原因，MLC始終都沒有被廣泛采用，無論NAND閃存還是NOR閃存，都是以SLC方案為絕對主流。

　　Spansion MirrorBit技術的功能與英特爾的MLC方案非常類似，它也是通過讓一個基本存儲單元中存儲兩個比特位，實現容量增倍的目的。但MLC只是利用一個浮動柵，通過精確的電荷控制來實現雙比特位的表達，而MirrorBit技術則是在一個浮動柵的兩側分別構建彼此獨立的信息位，兩者通過非導體硅間隔(MLC為導體硅材料)。這樣每個信息位在讀取或編程操作時都不會影響到另一側的信息位，由此在一個存儲單元內實現兩個比特位信息的存儲，相當於記錄密度提高了一倍，而所付出的代價就是需要少許增加晶體管內的邏輯單元。在操作模式方面，MirrorBit也明顯優於MLC，後者要求以一個浮動柵內的兩位比特作為基本操作單位，也就是無論讀取、寫入、擦除都必須同時涉及這兩個比特位，不僅做法僵化且帶來高功耗、低性能和低可靠性的弊端；MirrorBit仍然以單個比特作為基本操作單元，浮動柵兩側的信息位不會相互乾擾，效果等同於擁有兩個浮動柵，因此MirrorBit閃存可具有與SLC相同的低功耗、高性能和高可靠性優點，又能夠將存儲密度提高一倍，堪稱一項完美的解決方案。再者，MirrorBit技術擁有更低的制造成本，其關鍵制造步驟要比傳統的NOR減少40%，總體制造步驟則可以減少10%，這在很大程度上降低了芯片的制造成本。遺憾的是，由於Spansion的半導體制造實力遠遜於英特爾，產品制造成本較高，MirrorBit在這方面的優勢也無從發揮，這也是在過去兩年間英特爾在市場上擊敗Spansion的主要緣由。

　　早在2004年10月份，Spansion就向外界透露開發第三代MirrorBit技術的口風，它將在第二代MirrorBit的基礎上結合MLC技術，這樣便可以在一個單元內存儲4個比特，再度實現存儲密度的大躍進。但此項技術仍然將面臨MLC功耗較高，使用壽命不長的弊病，也許正是因為這些問題讓Spansion放緩了開發步伐，該公司在2005年的主要革新就是110納米技術昇級為90納米，並與第二代MirrorBit相結合——1Gb NOR閃存便是上述技術成果的結晶；至於第三代MirrorBit的推出日期Spansion尚未披露。

　　圖7 MLC通過4種電平值來實現在一個浮動柵中存儲兩位信息的目的

　　以MirrorBit為基礎的ORNAND閃存

　　2005年9月，Spansion公司在美國奧斯汀宣布開始制造基於MirrorBit技術的ORNAND閃存，正式進入通用閃存市場。由於Spansion過去只有NOR業務，ORNAND閃存的出現將有力拓展Spansion的市場空間，並可從目前高速增長的NAND市場中受益，這一點與三星OneNAND戰略如出一轍。

　　與三星OneNAND類似，ORNAND也是NOR與NAND的結合體，具有NOR與NAND一些共同的優勢。在基礎架構上，Spansion ORNAND秉承第二代MirrorBit技術，通過雙信息位的方式實現媲美NAND的高存儲密度。而在性能方面，ORNAND表現十分出色，其讀取性能與NOR相當，寫入速度則比NAND快得多。尤其是突發脈衝(Burst)模式下，寫入速度可比現有的NAND產品快出4倍，堪稱是目前速度最快的閃存產品。此外，ORNAND具有MirrorBit技術的其他所有優點，如高可靠性、低成本、低功耗等等，相對於NAND閃存的技術優勢極其明顯。第三，ORNAND擁有NOR和NAND兩種接口，OEM廠商可以根據自身需求，采用NOR或者NAND接口將它與系統進行整合。不過，ORNAND與三星OneNAND一樣都無法直接支持XIP代碼本地執行功能，而是必須通過另外的NOR或者將ORNAND的指令代碼下載到DRAM中方可運行。由於ORNAND的讀取速度媲美NOR，將指令下載到DRAM運行的方式並不需要耗費太多時間，系統依然可保持快速的啟動和較快的響應，因此ORNAND就具有與三星OneNAND類似的功能：既可以存儲嵌入式程序的代碼，也可以作為數據存儲之用。但與OneNAND不同的是，ORNAND並不是作為NOR的替代技術，Spansion只是希望將它與NAND產品競爭，進入到NOR閃存無法踏足的數據存儲領域，例如數碼相機/攝像機、MP3播放器、數字電視等等。但Spansion表示說將把重點放在嵌入式應用，而暫不考慮進入閃存卡、移動存儲器等領域，估計這與該公司無法提供足夠的產能有關。

　　在宣布ORNAND閃存進入制造階段的當日，Spansion公司還演示了一個利用Spansion 1Gb ORNAND閃存以及TI OMAP處理器所組成的手機系統。該套系統仍然采用NOR作為指令代碼的存儲器件，ORNAND則用於存放用戶的圖像、音頻、視頻等多媒體數據。在演示中這套系統可以每秒15幀的速度流暢地播放MPEG4視頻，並可支持數碼相片的快速存取，整體表現明顯優於當前高端娛樂手機普遍采用的NOR+NAND+DRAM方案。Spansion也希望ORNAND能夠在這些場合取代NAND閃存，以進一步擴大自己在閃存市場的佔有率。換句話說，ORNAND的競爭對象只是NAND，它與NOR更多是一種協作的關系(雖然在技術上ORNAND可以取代NOR)。Spansion現在已經是NOR領域數一數二的重量級大廠，ORNAND采用這樣的設計定位就不難理解了。

　　ORNAND能否取得預期的成功很大程度上取決於成本狀況。對此Spansion表示說ORNAND的制造成本與同容量的NAND持平甚至略低，該公司先期推出的1Gb ORNAND閃存的價格也與其他廠商的1Gb NAND產品完全相同。由於ORNAND擁有絕對的性能優勢，對OEM廠商頗容易產生吸引力。Spansion計劃在明年推出2Gb容量的ORNAND閃存以滿足市場需求，但外界更關心Spansion能否提供足夠多的產能。由於業界對Flash閃存的需求極其旺盛，盡管各半導體廠商都開足馬力生產還是無法完全滿足需求，對OEM廠商來說，能否按時、足額提供產品往往比產品的性能本身更為重要，像苹果這樣的需求大廠為了保證貨源都采用預簽協議的方式訂購，而Spansion在制造方面的實力較為薄弱，直到2005年9月份纔開始轉向90納米工藝(晶圓尺寸仍然維持在8英寸規格)，而全部的工藝轉換完成必須花費整整一年時間。為解決產能問題，Spansion與臺灣省半導體大廠臺積電(TSMC)進行合作，由後者為Spansion生產110納米MirrorBit產品，而Spansion自己的晶圓廠則開足馬力制造90納米的ORNAND和高密度MirrorBit閃存，以滿足市場的旺盛需求。

　　圖8 MirrorBit閃存的邏輯結構示意，一個浮動柵中擁有兩個信息位。

　　前瞻：無限廣闊的市場前景

　　在旺盛需求的帶動下，閃存業一直保持超高增長速度，市場規模急劇擴大。顯而易見，諸如數碼相機、音樂播放器、娛樂手機、數字電視等等消費電子產品在未來必然將越來越普及，閃存將擁有無限想象的市場空間。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。很明顯，三星公司和Spansion公司將在這一領域佔據主動。而在市場推廣方面，三星的OneNAND已走在前面。OneNAND閃存在2004年投入量產到現在，已經獲得市場的充分認可。三星公司每個月向各手機制造商出貨300萬單位的OneNAND閃存芯片，發展勢頭非常迅猛，這不可避免對NOR閃存廠商帶來不小的競爭壓力。Spasnsion雖然動作滯後，但在今年實現ORNAND閃存量產之後，同樣有望開闢一片新天地，將戰火燒到NAND的頭上。然而，這僅僅只是開始，OneNAND、ORNAND給閃存業帶來何種變革現在言之過早，但對任何一個閃存企業來說，如果不積極開發新技術、提高產品的競爭力，恐怕將很難在激烈的競爭中立足。

　　圖9 Spansion出品的512Mb NOR閃存，在容量上領先於競爭對手。