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旺宏以19奈米領跑Serial NAND市場

  • 陳毅斌/台北

旺宏電子產品行銷專案副處長郭玉蘭

嵌入式系統的記憶體解決方案隨著物聯網、人工智慧與5G等智慧應用的飆升,消費者加速追求改善使用者體驗,帶動更多軟體加裝在嵌入式的應用中,比Serial NOR容量更高的Serial NAND記憶體也因此應運而生。旺宏電子(Macronix)是非揮發性記憶體領導廠商,身為全球最大的NOR Flash供應商及世界排名前三大S LC NAND記憶體廠商,多年來累積完整量產經驗,專注經營嵌入式系統的應用領域,以品質與產能上的優異表現,在Serial NAND方面亦提出完整方案,廣獲系統廠商與晶片設計大廠的青睞。

繼2020年初19奈米SLC NAND記憶體新登場之後,旺宏更進一步取得NAND快閃記憶體重要的成本優勢,加上自有晶圓廠掌握產能自主的關鍵能力,客戶供貨滿意度受到稱道,產品行銷專案副處長郭玉蘭接受訪問時指出,因應嵌入式應用對Serial Flash需求容量推升,旺宏的19奈米Serial NAND快閃記憶體在成本與效能改善的優勢下, 帶動新一波的市場競逐態勢,並率先在Serial NAND快閃記憶體的應用上提出由主晶片處理ECC的創新主張。

主晶片處理ECC是最佳品質及成本效率的典範

NAND記憶體的內建ECC結構,不論是外加ECC控制晶片和NAND堆疊或是單晶片NAND On-Die ECC設計等都是市場上常見的配置,但這樣的設計在實際成本精省與效能上並沒有達到顯著效果;反而,如若省掉內建ECC功能,其成本效益則相當明顯。再參考目前市場主流SLC NAND, 8 I/O的標準工程設計皆是採取主晶片自行處理ECC的設計,主要是因在品質、成本和效能上皆有最直接的優勢推崇,也因為如此,旺宏引進成為Serial NAND方案的最佳借鏡。

主晶片採用BCH演算法提供 8-bit ECC功能駕輕就熟

SLC NAND快閃記憶體技術在半導體製程的演進上走得比NOR快,可大幅度節省單位成本,而又能比MLC NAND具備更高的可靠性,故能迎合程式碼愈變愈大的嵌入式應用的趨勢,對新設計的主晶片而言,如同處理標準8 I/O的SLC NAND一般,主晶片只需採取BCH演算法的8-bit ECC能力即可,這對主晶片設計團隊而言是駕輕就熟的工作,同時也說明現今內建ECC的Serial NAND產品,其實只是過渡時期產品,長遠看主晶片自行處理ECC才是主流。

主晶片處理ECC的最佳推動力是效能提升的優勢

NAND的週邊邏輯製程相對比SoC邏輯是大幅度的落後,所以NAND內建處理ECC的效能較弱,郭玉蘭比較內建ECC的Serial NAND和Serial NAND由主晶片處理ECC兩者,單從NAND的讀取效能做比較,發現後者的效能幾乎達到2倍的勝出,這是以133MHz時脈基準下,以每分頁4KB為單元的NAND快閃記憶體為測試基礎而來;再者,更進一步從整體系統考量來比較,也就是把主晶片同步處理ECC所耗費的時間一起考慮進來,整體效能上的表現仍然有28%到55%的勝出,也就是在主晶片ECC糾錯處理之下,實際效能的優勢仍顯而易見。

主晶片處理ECC透明度高,可完全掌控對Serial NAND的控制

由主晶片處理ECC的主張,可讓主晶片更能依系統對品質要求來控制Serial NAND,尤其對於記憶體使用壽命要求較高的應用來說,主晶片可用更強的ECC糾錯能力來提升Serial NAND 最核心的讀取耐力(Read Endurance Cycle) 和擦寫耐力( Program/Erase Endurance Cycle)的信賴性,以主晶片直接使用12-bit ECC技術對比僅使用8-bit ECC的技術為例,則可提升1.4倍的讀取耐力(read cycles) ,與1.47倍的擦寫次數(program/erase cycles),足足增加40%以上的效益。

尤有甚者,主晶片除了能完全掌握Serial NAND的錯誤修補能力之外,還能細微化Serial NAND錯誤修補指標( ECC status levels),精準判斷何時該將資料做有效搬移,而不至進行過度非必要的資料搬移,這對信賴性和效能上都有極大好處。相形之下,由Serial NAND內建ECC的方式,反而像是個黑盒子,主控端反較難以依應用所需,進行有效的控制Serial NAND。

降低Serial NAND 彼此相容性低的困擾

市場上各家Serial NAND產品由於個別製程演進相異,可能涵蓋3X奈米、2X奈米或最新19奈米的SLC NAND製程,使個別所需的內建ECC能力不同,以致於內建ECC規格不一,這也造成主晶片難以用相同管理方式來決定何時將資料搬遷到其他好區塊,反而需要更為謹慎的設計應對措施,以免造成軟體的兼容問題。

此外,內建ECC的Serial NAND記憶體產品,會因為每一家Page Structure的spare area所定義的ECC保護範圍不同,而難以用同一套軟體來管理不同規格的Serial NAND記憶體,反之,主晶片處理ECC就毋須煩惱ECC保護範圍之差異問題,因為完全可以由主晶片決定其所需。 由此可窺之,當主晶片掌控一切時,就能降低Serial NAND相容性議題,將使主晶片設計過程更為順暢。

主晶片處理ECC的趨勢創造SoC與Serial NAND記憶體及共同客戶多方共同的利益

ECC功能交由SoC主晶片全權處理,將使SoC掌握一切的設計趨勢,成為符合各方利益的最佳解決方案,但是考量現今市場處於過渡階段, Serial NAND 處理ECC的規格不一情況下,郭玉蘭建議,即使新的主晶片決定加入ECC功能直接處理Serial NAND,主晶片端可考慮在初始啟動程式中(initial boot loader)直接加入Disable internal ECC的指令,把Serial NAND內建ECC功能關掉,改由主晶片直接處理ECC,此舉將有助於SoC搭配各家Serial NAND產品,不論是內建ECC或是非內建ECC的Serial NAND,都可以同一套韌體被採用,大幅度提高系統的彈性。

這些實質的助益,說明一旦SoC晶片可以自行決定ECC強度,以及決定適當時程進行資料搬移等運作時,更能增加NAND快閃記憶體使用壽命,所以旺宏這次公開提倡主晶片處理ECC的新觀點,馬上吸引海峽兩岸最大IC晶片大廠的支持,除享受完整成本與效能優勢之外,在系統的完整性與可靠性的設計要求,將更能得心應手,展現新一代SoC晶片的市場價值。

以家庭閘道器產品為例,這個將數據機和家庭路由器整合至單一智慧家庭裝置上的當紅產品,讓Gigabit Ethernet Passive Optical Network(GPON)市場開始走上寬頻與智慧家庭市場,因為智慧家庭應用與服務中,往往需要大量的影像處理與傳輸,SoC晶片廠商在詳細考量家庭閘道器的設計時,使用具備數位處理(DSP)與客製ASIC架構,以便於處理更多樣化的資料來源,並加入大量資訊安全的保護功能,甚至提供優異VPN效能、加解密演算法等技術,隨著先進半導體製程快速演進,SoC晶片的能力愈來愈好,需要更高容量的Flash 做為程式和資料儲存, 同時又要兼顧效能和信賴性,搭配由主晶片處理ECC的 Serial NAND,更能發揮系統整體效能,成為高階網通SoC產品的一大助益。

旺宏的19奈米Serial NAND記憶體,為利基型與高附加價值的產品線,提出讓主晶片完全管理Serial NAND 的方向,充分讓客戶享受在成本上與處理器全權掌控的高效能優勢,這個貫徹高度客製化的產品策略,讓旺宏有效掌握多樣化的市場脈動,目前3V的1/2/4Gb容量的產品線一應俱全,並已經正式出貨,在網通市場和消費性電子的SoC晶片產品線開始初試啼聲,其長期的後勢發展備受期待。

郭玉蘭也不諱言表示,由於嵌入式系統商業模式的轉移需要較長的過渡期,旺宏已經備妥相關解決辦法,故仍保有部分具備ECC功能的Serial NAND產品線,以滿足一部分缺乏工程研發資源的客戶需求,並透過穩定供貨與產能的迅速調配,深化長期夥伴關係,協助Serial NAND記憶體擴大應用面。