关于NAND FLASH的现状以及未来发展趋势的分析

关于存储器件，在数月之前我们提到过NOR FLASH，并简略地将之与EMMC、SRAM、NAND FLASH 等做过比较，其中，比较详尽描述过NAND FLASH。

之前也提到过，自从全面屏手机的逐渐普及，NAND  FLASH 市场份额一度扩张明显，而NOR FLASH市场略有收缩。而疫情带来的影响仍在持续，平板电脑的销量仍然呈现持续增长的态势，两种FLASH都是必不可少的关键配件之一。以及，随着5G相关应用等的大举发力，5G基站中NOR FLASH占尽优势，而相关配套产品和生态产品中，NAND FLASH又频繁亮相。二者之间虽然在部分领域此消彼长，但是，在譬如电视机机顶盒领域，仍然是亲密无间的合作好伙伴。

NAND FLASH 和NOR FLASH 在譬如机顶盒这样的领域的应用是由它们各自的特点决定的。

很多情况下都是客户基于高级安全的需求，NOR FLASH 负责Uboot启动程序的存，NAND FLASH 负责其他数据存储，一小一大两个存储空间，组合拳配合得天衣无缝。即：用小容量的Nor Flash存储启动代码，比如uboot，系统启动后,初始化对应的硬件，包括SDRAM等，然后将Nand Flash上的Linux 内核读取到内存中，做好该做的事情后，就跳转到SDRAM中去执行内核了，然后内核解压（非压缩内核直接运行了）开始运行，在Linux内核启动最后，去Nand Flash上，挂载根文件，挂载完成，运行初始化脚本，启动consle交互，才运行和内核交互。至此完成整个系统启动过程。而Nor Flash存放的是Uboot，Nand Flash存放的是Linux的内核镜像和根文件系统，以及余下的空间分成一个数据区。

图 1 NAND FLASH 和 NOR FLASH 比较

先简单回顾一下各自的特点。如图1所示，NOR FLASH是现在市场上主要的非易失闪存技术，一般只用来存储少量的代码，主要应用在代码存储介质中，特点是应用简单、无需专门的接口电路、传输效率高，它是属于芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分。NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于FLASH的管理和需要特殊的系统接口，以及坏块的出现和标记。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为1。擦除NOR FLASH时以64～128KB的块进行，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

当选择存储解决方案时，工程师必须考虑到：

● NOR的读速度比NAND稍快一些。

● NAND的写入速度比NOR快很多。

● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

在需要使用的场合，还得考虑到NAND FLASH 有SLC 、MLC 、TLC。MLC和TLC产品可以轻松地提升容量并降低成本。然而，MLC 一次P/E循环需要不同的电压多次击穿氧化层，随着使用时间增加，可靠性会下降，基于使用坏块的纠错也会逐渐增多。如图所示，MLC需要更精确的电压控制，与SLC相比，写入性能稍弱。故，虽然MLC容量大成本低，目前受市场和成本影响，汽车、消费电子的出货主力还是SLC NAND FLASH产品。

如图2所示，在SLC闪存中，每个存储单元仅存储一位信息：逻辑0或逻辑1.单元的阈值电压与单个电压电平进行比较，如果电压高于电平，则该位被视为逻辑0。反之则为逻辑1。MLC (multi-level-cell）就是每个cell单元中有多个信号，通过控制不同的电压来实现的，常见的是2个电信号的，它的信号组合有11，01，00，10四种，也就是可储存的容量提升了。

图 2 SLC 和MLC 的存储电平逻辑

SLC由于只有两个级别，因此两个级别之间的电压裕度可能非常高。这使得读取单元格更容易，更快捷。原始误码率（RBER）也很低，因为由于较大的电压余量，在读取操作期间泄漏或干扰的影响较小。低RBER还减少了给定数据块所需的ECC位数。大电压裕量的另一个优点是磨损的影响相对较小，因为微小的电荷泄漏具有相对较低的影响。每个逻辑电平的更宽分布有助于以更低的电压对单元进行编程或擦除，这进一步增加了单元的耐久性，进而增加了寿命，即P / E循环的数量。

NAND Flash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，NAND FLASH的这些特点由其特殊架构决定。

在SLC NANDFLASH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。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。因为它具有优秀的读写性能，有着较大的存储容量和性价比，所以被广泛用于 eMMC/EMcP，U盘，SSD等市场。由于NAND Flash不支持数据的覆盖，所以必须在空白的单元内才可以进行数据的写入。通常以page为单位写入，以Block为单位擦除，擦除Block前需要先对里面的有效页进行搬迁。每个Block都有擦除次数限制（也就是使用寿命），所以这个时候NAND Flash的品质就显得相当重要了。

对于客户来说，由于在一个方案中的多处需要使用，积少成多，存储器件的成本较为敏感。  

2019年9月，旺宏采用19nm制程的SLC NAND Flash正式量产出货，第一批产品供应美国机顶盒客户，主要出货产品为4Gb SLC NAND。电视机顶盒因为系统愈来愈复杂，若使用高容量NOR Flash成本太高，所以转用容量更高的SLC NAND FLASH。现在一般机顶盒采用的NAND Flash容量大约在2Gb或4Gb，而且未来SLC NAND还会应用在像4K／8K超高画质电视等消费性产品。以及后续2020年受惠游戏机卡匣、5G基地台、资料中心及笔电用存储器出货强劲成长，旺宏的19nm SLC NAND FLASH将在众多产品中成为中流砥柱。截至目前为止，19nm的SLC NAND FLASH为旺宏的营收带来了不小的利润发展空间，客户涵盖各类应用，包括工控、医疗、安控等。其中，在3V供电电压产品中，MX30/60L主要在工控产品、电视机、机顶盒等有大量出货；MX30/60U（1.8v）产品主要在手机、嵌入式产品、数据卡等有较多的应用。

鉴于成本敏感性，多年来，工厂通过缩小每代电路的宽度（以纳米计量，1 纳米 = 十亿分之一米）来提高存储密度并降低每 GB 的存储成本。在认识到不断缩小的光刻技术的扩展局限性之后，需要一种新的方法来增加每个设备的密度，同时降低每 GB 的相对成本，此时便出现了3D NAND FLASH。

16nm制程以上的闪存如28nm多属于平面闪存，称之为“2D NAND”。巨大需求推动下的2D NAND 工艺不断发展，向1znm（12-15nm）逼近， 平面微缩工艺的难度越来越大，接近物理极限，但尽管如此，存储密度也很难突破128GB容量。并且带来的成本优势开始减弱，16nm制程后，继续采用2D 微缩工艺的难度和成本已超过3D技术，因此3D NAND开始成为主流。比如旺宏也计划跟进在2020年下半年实现48层128Mb的19nm 3D SLC NAND FLASH的量产。2021年量产96层256Mb的3D NAND Flash，2022年量产192层3D NAND FLASH。

图 3 3D NAND 进程

如图3所示，3D NAND FLASH就是通过die堆叠技术，加大单位面积内晶体管数量的增长。3D NAND比2D NAND具有更高的存储容量，若采用48层TLC 堆叠技术，存储密度可提升至256GB，轻松突破了平面2D NAND 128GB 的存储密度极限值。3D NAND主要依靠die堆叠，采用这种方式可以使得每颗芯片的储存容量可以显著增加，而不必增加芯片面积或者缩小单元，使用3D NAND可以实现更大的结构和单元间隙，这有利于增加产品的耐用性。因此想要增加存储空间就需要不断的增加堆叠层数。

图 4 CTF和FG技术

在发展3D NAND的过程中，厂商采用了两种不同的存储技术（如图4所示）：电荷撷取技术(CTF, Charge Trap Flash)和浮栅(FG, Floating Gate)技术。

CTF电荷撷取技术实现原理和过程更加简单，有利于加快产品进程。此外，电荷存储在绝缘层比存储在导体浮栅中更加的可靠。与FGMOS相比，基于CTF电荷撷取技术的存储器有许多优点。可以在较低电压下编程和擦除基于电荷阱的存储器，从而提高耐用性。由于捕获层（氮化物）是绝缘层，电荷不会泄漏，从而提高了可靠性。由于电荷不会从电荷阱的一侧流到另一侧，因此可以在同一阱层存储多于一位的电荷。

FG浮栅技术从2D NAND开始已经很成熟。浮栅晶体管或浮栅MOSFET（FGMOS）非常类似于常规MOSFET，区别在于它在栅极和沟道之间具有额外的电绝缘浮栅。由于浮栅是电隔离的，所以即使在去除电压之后，到达栅极的电子也会被捕获。这就是闪存非易失性的原理所在。另外，采用FG浮栅技术的3D NAND的存储单元相互独立，而采用CTF电荷撷取技术的3D NAND的存储单元是连接在一起的。相比之下FG浮栅技术的存储过程更具操作性。

3D NAND同时还具有更高的可靠性，NAND闪存一直有着电荷之间电场干扰问题,导致需要flash control芯片透过复杂的算法来防止和纠正这么干扰带来的错误,最后拖累了资料的传输速度。透过3D堆叠技术，单位储存空间变大，电荷间的电场干扰降低，大幅提升了产品的可靠性，也因资料错误降低，不仅提升了资料的传输速率，更因简化了纠错算法，进而降低了功耗，一举数得。进一步凸显了成本效益。

3D NAND FLASH是现在和未来，19nm 的2D NAND FLASH是过去和现在。目前，在车规的应用中，旺宏有SLC NAND Flash有8Gb的MX60L系列，512Mb-4Gb的MX30L系列；在工控产品和通信产品中，有MX30U/L、MX60U/L系列；而3D NAND Flash， 48层128Mb 产品，如今正在量产中，19nm生产96层256Mb的3D NAND Flash，将在明年实现。

疫情带来的影响还在持续，远程服务的诸多应用持续带动数据中心需求，而消费类电子产品的平板、笔记本电脑等也因远程办公、教学需求，使得消费额大幅增加。再加上疫情对于市场的影响，使得商家对于数据化企业管理与分析以及企业信息安全开始重视起来，这对于企业数据中心的建设又有了更高容量的要求，对于大容量的NANDFLASH市场来说，无疑是个利好的消息。

旺宏19nm SLC NAND FLASH正在成为出货的中流砥柱，尤其是大容量应用方向。而提早布局的3D NAND FLASH制造，虽然大容量FLASH的目标正在实现中，但是指向96层，128层的3D NAND FLASH制造方向逼近顶尖水平 ，不久的将来也将为其带来可以预见的良好收入。就目前大批出货19nm的小封装大容量NAND FLASH来说，旺宏的产品仍然是市场的佼佼者，优质而兼具性价比。

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