快閃記憶體在嵌入式市場的創新應用

旺宏電子資深產品行銷經理Ralf Kilguss談串列式快閃記憶體技術。

旺宏推出Quad 4x75MHz DTR技術、600Mb/s傳輸速率的高速串列式NOR，可簡化嵌入式市場平台PCB佈線與降低成本；同時在面對浮閘設計的NAND Flash瀕臨製程上極限之際，旺宏也對正在研究中的新世代記憶體如PCM(相變化記憶體)、RRAM(電阻式記憶體)提出他們的看法…

旺宏電子資深產品行銷經理Ralf Kilguss指出，目前Flash分NAND與NOR兩大類。前者以高容量見長，但是當製程微縮到2x奈米以下時可靠度開始變差，像是Bad Block與ECC位元數增多；而NOR Flash若以3xnm製程可做到單顆2~4Gb容量，因此當NOR製程微縮到4x奈米以下，將吸引並搶佔低密度NAND的市場。他引用旺宏市場分析，預估到2014年Serial NOR市場總值達17億美元，Parallel NOR達12億美元，而SLC NAND僅11億美元。

他指出許多汽車電子、儀表上呈現的2D/3D圖形、動畫與視訊，急需快速讀取效能的NOR Flash，且快速可程式化的NOR Flash可使系統快速從深度睡眠模式下快速啟用。Serial NOR持續增加輸出速率與容量，獲得工控、網路與汽車電子應用，將促業界從Parallel NOR與SLC NAND的採用出現轉移，以節省I/O組件的成本，2011年Serial Flash佔NOR Flash出貨比重達65%，到2013年將進一步提升到77%。

NOR/NAND技術上的差異與NOR Flash產品趨勢

Ralf Kilguss進一步闡述NOR Flash與NAND Flash在技術上的比較。兩者都是浮閘電晶體裝置的設計，NOR Flash每一個Cell有獨立的Word Line、Bit Line與 Souce Line(源極線)，NAND Flash一個Floating Gate最多串32個Cell串成一組，每一個Cell只有一個Word line，不是每一個Cell都有Souce Line與Bit Line，因此NAND Layout比較簡單，密度也相對提高，平均每個Cell僅4F2；NAND Flash比較接近Serial介面，儲存在NAND Flash的程式碼，需要將程式碼複製到DRAM/
SRAM才能執行，此外NAND Flash讀寫特性是讀取慢、寫入與抹除快，一次定址？讀寫的單位是Page，且在讀取寫入時，相鄰的Cell會被影響，因此需要外接控制器來做讀寫維護，以及Bad Blocks與ECC偵錯修正位元的處理，適用於高密度資料儲存環境NOR Flash則是Parallel介面設計，每個Cell面積為10F2，讀寫特性是讀取快、寫入與抹除慢，其最小定址？讀寫的單位為byte，儲存在NOR Flash的程式碼可以執行，且沒有讀寫時影響相鄰Cell的效應，長期操作可靠度較佳。適用於小磁區的檔案系統，以及以執行程式碼輔以少量資料讀寫為主的操作裝置？環境。

Ralf Kilguss指出當前NOR Flash提供最高隨機讀取速度，但具備44~56pins高腳位數，而NAND Flash提供低隨機存取速度但可搭配cache，同時僅17~23pins低腳位數；SPI NOR Flash提供適切的隨機存取速度、超高讀取速度及最低8pins腳位數。旺宏發表4x75MHz Quad DTR Serial NOR可提供600Mb/s讀取速率，比Parallel Flash簡化佈線與PCB大小，減少EMI電磁干擾並降低成本。

旺宏是全球第一大Serial Flash供應商，2011年上半全球市占率32~33%，正極力推動Serial Flash Discoverable　Parameters(SFDP)成為JEDEC的JESD216產業標準，希望日後業界遵守這個SPI Flash的規範，日後更換其他Flash Wafer時，就不必連其他搭配的零組件跟著更動。

Flash快閃記憶體製程極限與新興記憶體的討論

Ralf Kilgus提到當前採浮閘設計的Flash記憶體，隧道氧化層厚度無法低於8奈米，不然會有Frenkel-Poole tunneling(隧道電洞穿隧效應)導致漏電。這種隧道氧化層的厚度限制使得垂直微縮無法進行，連帶使整個電晶體也無法橫向水平微縮，其次製程微縮到1x奈米時，浮閘能儲存的電荷數變得很少。他引用一張NAND vs NOR電荷特性表，光同樣是40nm製程下，NOR浮閘儲存電荷數超過800個，而NAND僅80個，微縮到2x奈米下MLC NAND電荷數低於30個，以過去統計需儲存90個電荷，才能維持10年長期資料完整性來看，2x奈米以下的MLC NAND已瀕臨耐用度下降的風險。

Ralf Kilguss提到目前非揮發性記憶體，除了浮閘的NOR/NAND Flash，發展中的SONOS(CT電荷捕捉)技術，以及ROM & Fuse之類，還有像是FeRAM(鐵電記憶體)、MRAM(磁阻記憶體)、RRAM(電阻式記憶體)、PCM(相變化記憶體)以及Polymer高分子記憶體。他指出Polymer記憶體是20年後的事情，而FeRAM材料具有對環保有害的高毒性，MRAM容易因環境磁場變化導致儲存內容的流失，也不予考慮；他們看好RRAM與PCM這兩項並深入研究，其中RRAM應該在3到5年內會開始推工程原型樣品。