運用XtraROM技術解決傳統 NAND Flash微型化難題

旺宏(Macronix) Senior Segment Marketing Manager Ralf Kilguss

在現今高度資訊化、電子化的社會，記憶體的應用已經是無處不在，而這其中又以非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory；NVM)因具有高速、高密度、低耗電、體積輕巧、堅固耐用，以及電源關閉後資訊儲存內容不會消失(即非揮發)…等特性，無論是在工作場所使用的USB、小筆電、筆記型電腦、平板電腦，或是日常生活中的手機、HD影視、MP3播放器、錄音筆、電子寵物、可戴式Gadget、數位相機？攝影機…等消費性裝置，皆可看到其做為資訊儲存元件的蹤影。

根據工研院近期所公佈的資料顯示，光是2012年全球行動記憶體市場的部份，預期規模便可高達77億美元，至2016年更會成長至130億美元，顯見即便受到歐美經濟不振及希臘問題干擾…等因素的影響，市場對於記憶體的需求仍相當驚人，「畢竟每一台電子產品都會需要藉由可獨立運作的NVM，以便協助其執行各項功能。」

微型化導致漏電流問題，傳統技術發展遇上嚴重瓶頸

旺宏(Macronix) Senior Segment Marketing Manager Ralf Kilguss表示，就記憶體的發展總體情勢來觀察，雖然市場上已有多項應用技術可用來製造非揮發性記憶體產品，如SONOS-Type技術(即Charge Trapping，以XtraROM架構為代表)、ROM&Fuse、非常具有進一步發展潛力的RRAM及Phase Change技術…等，但目前業者普遍採用的仍是以浮動閘(Floating Gate)技術(包括NOR Flash及NAND Flash記憶體架構)為大宗。

特別是NAND Flash，「根據市場研究機構DRAMeXchange的預估，由於NAND Flash以資料儲存為主要應用，雖然其處理速度較NOR Flash為慢，但隨著各種消費性電子產品規模日趨擴大，2012年該款產品營收將較前一年度成長12%，而整體產值也可望在今年超越DRAM的水準。」

不過在面對半導體製程不斷演進，各項元件尺寸變得越來越小的今日，浮動閘技術在記憶體微型化過程方面卻遇上了嚴重的瓶頸。Kilguss說，這是由於該技術是將其電荷儲存於導體的多晶矽(poly silicon)之內，因此其底部Tunnel oxide必須保有一定的厚度，一旦當其厚度不足時，常會發生Direct tunneling與Frenkel-Poole tunneling…等電子穿隧效應現象，使得其容易有嚴重的漏電流問題產生，並進而影響該記憶體的品質與可靠性。

Kilguss表示：「就一般的經驗來看，Tunnel oxide的厚度不能小於8nm。」而這也導致浮動閘非揮發性記憶體(floating-gate non-volatile memory)的製造商無論是計劃要由垂直亦或是水平方向縮小產品尺寸，都會受到一定的侷限，無法無限制地予以微型化。

損壞區塊、寫入？讀取干擾、耐久性有限等問題有待克服

另一方面，當人們縮小浮動閘非揮發性記憶體的體積，也代表著能儲存於多晶矽內的電荷數會隨著同步變少。根據2005年Kinam Kim於VLSI-TSA國際研討會所發表的資料顯示，若我們將浮動閘尺寸由120nm縮小至40nm時，在Vth為4V的條件設定下，所能儲存的電子數會快速從約3,000個以上下滑至只有80個左右(由於相同尺寸下NAND Flash所包含電子數較NOR Flash為小，該效應對於此類型記憶體影響會更為嚴重)，並使其電荷流失容差( Charge Loss Tolerance) 值的預期壽命由原先超過10年大幅減少至5年。

總電子數小，即表示當有相同數量電荷流失時，造成的影響會更嚴重。這也讓小尺寸的浮動閘非揮發性規格記憶體─尤其是NAND Flash，得面臨到如何因應「資料保存」與「提高可靠性」的棘手難題。

除此之外，NAND Flash還有隨P/E(program/erase)循環次數而自然增長的損壞區塊(Bad Block)、不穩定電流或過敏元件造成相鄰位置發生錯誤動作的寫入？讀取干擾(Write/Read Disturbance)、需再藉由平均抹寫儲存區塊技術(Wearing Leveling)以延長其耐久性(Endurance)，以及長效資料保存具有一定的危險性…等眾多問題需要克服。

以寫入？讀取干擾為例，受到相鄰選用頁面與未選用頁面彼此之間讀？寫電壓差異的影響(選用頁面在讀取時是0V，寫入時是20V；而未選用頁面讀取時是5V，寫入時是8V)，使得未選用頁面單元會因而持續受壓，導致資料容易產生自然流失的現象。Kilguss表示，當閘道節點的體積隨著現代半導體製程越變越小時，此狀況還會更加惡化。

兼顧記憶體彈性與可靠性，旺宏推出HybridFlash新產品

除此之外，當NAND Flash進行讀取作業期間，單一或多個位元組之值由「1」轉換至「0」之時，也很容易有讀取干擾錯誤(Read Disturb Error)的問題發生。「如果有大量(有時可高達數萬個，視技術而定)針對個別頁面所進行的讀取作業在抹除動作之前發生時，錯誤狀況會更嚴重。」這也就表示，當我們對NAND Flash的讀取次數增加時，其未更正位元錯誤更正率(Raw Bit Error Rate；RBER)也會跟著遞增，一旦當其遞增所累積的錯誤位元數量太多，超出錯誤檢查及校正技術(Error Checking and Correcting；ECC)所能更正的範疇時，NAND Flash的可靠性及資料保存能力即會下降至人們無法接受的程度。「此問題無法單靠內建的ECC機制來完全解決。」

為了改善NAND Flash在微型化過程所遇到的上述種種問題，提供嵌入式儲存裝置更高品質的解決方案，旺宏於近期推出了該公司新一代的產品─HybridFlash，以兼顧記憶體追求彈性與可靠性的目標。「HybridFlash是由XtraROM、Flash Memory及Controller此三部份所共同組成，可分別做為其OS Storage、boot loader/code update，以及interface使用。」Kilguss說。

由於XtraROM具有可針對顧客的DRM scheme進行ASIC設計、無需Bad Block管理及額外ECC、沒有讀取干擾問題、遮罩圖層(Masker Layer)要比應用其他技術更少、延展性更佳、專用12吋晶圓廠產能…等多項優勢，因此不必如同採用其他技術的NAND Flash需要搭配額外Backup code image，在尺寸縮小後仍可保有相當的可靠性。

XtraROM在多方面均較NAND Flash有優異表現

對於內容及OS，HybridFlash還提供了相當穩固的介質，不僅資料在攝氏85度的條件下可保存長達20年，在攝氏-40℃~85℃的情況下仍可正常作業，透過安全控制器進行內容防護的設計，更使得其可避免駭客、病毒及其他外部篡改的威脅。

Kilguss表示，該公司曾經對3組XtraROM的單一頁面，在溫度攝氏25℃、Vcc為3.6V的環境條件下，以每秒資料量1MByte的頻率進行重覆讀取，以測試資料在XtraROM內是否會受到影響。結果在經過連續168小時，重覆讀取超過109次的測試之後，由3組XtraROM各隨機抽取80個單元(總共240個)，發現其中無任何錯誤發生。「如果是對一般SLC/MLC NAND Flash在相同條件下進行這樣的試驗，通常在1個小時內就會有讀取干擾錯誤問題產生。」

與SLC NAND Flash或MLC Synchronous NAND Flash相較，XtraROM無論是在Random Read、Sequential Write、Random Write或Read Cycle上都有較佳的表現，因此現階段無論是在封閉式消費系統(如印表機、STB、DTV)、網路裝置(交換器、路由器、Base Station)、工業應用(PLC、IPC、Rugged PDA/Tablet、POS)，以及家電用品(咖啡機、烤爐及電冰箱)…等應用範疇中經常被使用。

「HybridFlash還可以用來取代傳統安裝或散佈Windows、Office、Visio、Project、Visual Studio、 Visual FoxPro、Adobe Acrobat、Games…等軟體的CD/DVD光碟片。」Kilguss說，只要將其資料寫入至HybridFlash中，除了能夠讓其得到更長期的保存、免受病毒侵襲、無需浪費時間等待下載之外，Netbook、Tablet、Smart Phone及Slim NB…等運算裝置也能省下不少留給光碟機等設備的空間，把裝置做得更為小型化。

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