1、闪存的一些基本概念及其技术融合趋势 2006-04-112008-01-25 22:06为了提高竞争力，各大半导体厂商都会尽一切努力进行新技术的研发，开发出高速度、大容量、高可靠性以及低功耗、低成本的产品成为各个厂商的共同目标，NAND 与 NOR 的融合也被业界普遍认为是未来的趋势。 受益于消费电子产品的旺盛需求，Flash 闪存已取代 RAM 成为存储器家族中最主要的力量，市场规模高速扩张，三星、英特尔、Spansion 等半导体厂商也成为最大的受益者。根据逻辑结构的不同，Flash 闪存主要可分为 NAND 和 NOR型两种，前者可提供更大的容量，但不支持代码本地执行，读速度也较慢(但写
2、入速度较快)；而 NOR 型闪存支持代码本地运行，读速度也稍快(写入速度稍慢)，但主要缺点在于很难实现较高的存储密度。不同的特性让这两者分别属于不同的市场：NAND 广泛用于数据存储相关的领域，如移动存储产品、各种类型的闪存卡、音乐播放器等，而 NOR 型闪存主要用于手机、掌上电脑等需要直接运行代码的场合。两者一向泾渭分明、互不干扰。不过，由于手机市场起步较早(1999 年开始全球流行)、整体规模很大，NOR闪存也就长期居于主导地位，出货量占据闪存整体份额的 60%以上；NAND 闪存虽然应用领域更为广泛，但受累于数码产品的用户群较小，整体规模反而不如NOR 闪存。然而，近两年此种格局悄悄发生
3、了逆转：应用的成熟与价格平民化让数码相机、音乐播放器、移动存储器快速向主流人群普及，大容量 NAND 闪存的需求也因此极其强劲，受益于此，NAND 闪存市场一直呈现高速增长态势。但与之形成鲜明对比的是，手机产品从 2004 下半年开始就陷入相对低迷状态，致使NOR 闪存需求的增速减缓。此消彼涨，NAND 闪存的市场规模在 2005 年最终超过NOR 成为闪存家族中的主力军，而掌上电子产品的功能日趋强大，对大存储容量的要求如饥似渴，业界普遍认为 NAND 的发展潜力将远高于 NOR 型闪存，并将击败后者成为闪存家族中的绝对主导。然而，NAND 闪存要完全替代 NOR 闪存并不现实，虽然它的容量远
4、大于NOR，但 NAND 低速、不够可靠、无法支持代码本地执行的先天缺陷一直难以克服。如果在手机、掌上电脑产品中只采用 NAND，将会出现系统启动速度慢、较容易死机的严重问题，也正因为如此，NOR 的地位依然十分稳固。而许多设备厂商为了在自己的产品中提供较强的数据存储功能，往往采用同时集成 NOR(用于运行本地程序)、RAM(用于装载程序运行的数据)以及 NAND(用于个人数据的存放)三种不同类型的存储器件，但此种方案不仅设计复杂，产品的成本也比较高，不利于推广。至于闪存厂商对 NAND、NOR 之间的壁垒也甚为不满，多数闪存厂商都希望自己的产品能够满足全方位的需求，以此获取更大的市场份额。开
5、发两者相融合的新型闪存技术就成为业界共识，在这方面，三星与 Spansion 走在前面。以 NAND 业务为主的三星公司在 2003 年提出 OneNAND 技术方案，兼顾NAND 高容量和 NOR 快速等优点，希望籍此从 NOR 闪存厂商手中抢夺市场份额；而只有 NOR 业务的 Spansion(AMD 与富士通闪存业务的合资公司，NOR 闪存的第二大厂)也在 2004 年提出功能类似的 ORNAND 技术，希望能够从 NAND 市场的高增长中分享成果。这样，新一代闪存市场将形成三星 OneNAND 与 Spansion ORNAND 对垒的局面。尽管这两项技术提出已久，但在近两年来它们一直
6、都有新的技术发展，OEM 市场也从 2005 年下半年开始逐步接受，业界认为这两者有希望与传统的 NAND、NOR 共存，成为闪存家族的又一大主力，这也是我们直到现在才介绍这两项技术的主要理由。闪存的一些基本概念在介绍 OneNAND 和 ORNAND 之前，我们非常有必要对 NAND、NOR 闪存的技术差异和应用作进一步的探讨。NAND、NOR 闪存的基本原理无论 NAND 还是 NOR，都是闪存(Flash Memory)家族中的成员，两者在基本的数据存储方式和操作机理上都完全相同。闪存以单晶体管作为二进制信号的存储单元，它的结构与普通的半导体晶体管(场效应管)非常类似，区别在于闪存的晶体
7、管加入了“浮动栅(floating gate)”和“控制栅(Control gate)”前者用于贮存电子，表面被一层硅氧化物绝缘体所包覆，并通过电容与控制栅相耦合。当负电子在控制栅的作用下被注入到浮动栅中时，该 NAND 单晶体管的存储状态就由 1 变成 0。相对来说，当负电子从浮动栅中移走后，存储状态就由0 变成 1；而包覆在浮动栅表面的绝缘体的作用就是将内部的电子“困住”，达到保存数据的目的。如果要写入数据，就必须将浮动栅中的负电子全部移走，令目标存储区域都处于 1 状态，这样只有遇到数据 0 时才发生写入动作但这个过程需要耗费不短的时间，导致不管是 NAND 还是 NOR 型闪存，其写入
8、速度总是慢于数据读取的速度。虽然基本原理相同，但闪存可以有不同的电荷生成与存储方案。其中应用最广泛的是“通道热电子编程(Channel Hot Electron，CHE)”，该方法通过对控制栅施加高电压，使传导电子在电场的作用下突破绝缘体的屏障进入到浮动栅内部，反之亦然，以此来完成写入或者抹除动作；另一种方法被称为“Fowler-Nordheim(FN)隧道效应法”，它是直接在绝缘层两侧施加高电压形成高强度电场，帮助电子穿越氧化层通道进出浮动栅。NOR 闪存同时使用上述两种方法，CHE 用于数据写入，支持单字节或单字编程；FN 法则用于擦除，但 NOR不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片区域
9、执行擦除操作，由于擦除和编程速度慢、块尺寸也较大，使得 NOR 闪存在擦除和编程操作中所花费的时间很长，无法胜任纯数据存储和文件存储之类的应用，但它的优点是可支持代码本地直接运行；其次，NOR 闪存采用随机存储方式，设备可以直接存取任意区域的数据，因此 NOR 闪存底部有大量的信号引脚，且每个单晶体管都需要辅助读写的逻辑，晶体管利用效率较低、容量不占优势。而 NAND 闪存采用 FN 法写入和擦除，且采用一种“页面-块”寻址的统一存储方式，单晶体管的结构相对简单，存储密度较高，擦除动作很快，但缺陷在于读出性能平平且不支持代码本地执行。另一个不可忽视的地方在于，NAND 闪存很容易出现坏块，制造
10、商通过虚拟映射的方式将其屏蔽，这一点很类似于硬盘。目前，NOR 阵营的厂商主要有英特尔与 Spansion，后者为 AMD 与富士通闪存部门合并成立的新企业，英特尔目前的市场份额稍高，而 Spansion 则在技术上具有一定的优势，该公司在 2005 年 10 月份推出 1Gb 容量的 NOR 闪存，创下NOR 的最高容量记录。NAND 领域的半导体厂商主要包括三星、现代(Hynix)、东芝、美国 IM 快闪科技(英特尔与美光科技近日成立的合资公司)等，其中三星占据的份额超过 50%，居绝对的领先地位，该公司在 2005 年 9 月份推出 16Gb 密度的 NAND 闪存，但要等到今年下半年才
11、有机会进入实质性的量产阶段。图 1 Flash 闪存的基本存储单元(Cell)结构示意OEM 厂商采用的应用方案NOR 与 NAND 的不同特性决定了两者不可能取代对方。在 NAND 虎视眈眈的手机领域，各厂商传统上只有 NOR+RAM、NOR+NAND+RAM 两种组合模式，它们都是采用 NOR 作为程序存储及执行的器件，RAM 则用于存放运行过程中要用到的数据。由于 NOR 可以直接执行代码，无需动用 RAM 资源，使得对应的手机产品具有启动速度快、操作反应灵敏、功耗低等优点。其中，NOR+RAM 多见于欧美品牌、注重商务功能的手机产品中，而 NOR+NAND+RAM 方案多出了 NAND
12、 闪存作为图像、音频、个人数据的存储器件，多见于日系品牌的高端手机和音乐手机产品中。由于娱乐型手机发展前景看好，控制芯片厂商也普遍在新一代产品中集成了NAND 控制功能，这对于 NAND 的应用非常有助益。然而，NAND 阵营显然不满足于此，为了全盘取代 NOR，NAND 阵营的半导体厂商一直在鼓吹 NAND+RAM 方案，它的组成架构非常类似于电脑中的硬盘和内存。NAND 用于存储系统程序，采用“代码映射(code shadowing)”技术运行，也就是代码和数据都必须载入到 RAM 后方可执行。此种架构乍看起来似乎没什么问题，但代码映射架构要求在 NAND 和 RAM 之间进行大量的代码复
13、制工作，性能无法得到保证，且代码映射带来的高功耗也是一个大问题。采用此种架构的手机产品普遍存在开机短暂暗屏(代码载入时手机不可操作)、系统操作反应迟滞、电池使用时间不够长等弊病，加之 NAND 一旦出现坏区，系统就有可能出现运行故障，用户自身又很难修复。尽管 NAND 阵营的支持者一直强调 NAND 在容量和写入速度方面的优势，但在上述问题得到最终克服之前，手机厂商显然不怎么乐意采用这样的方案，这也是 NAND 阵营在进入手机市场方面一直雷声大、雨点小的主要缘由。而对三星公司来说，传统型 NAND 既然无力直接取代 NOR，寄希望给 OneNAND 再自然不过，而事实上，OneNAND 也具有
14、这样的潜力。三星 OneNAND 技术OneNAND 结合了 NAND 存储密度高、写入速度快和 NOR 读取速度快的优点，整体性能完全超越常规的 NAND 和 NOR。除了下一代移动电话外，OneNAND 面向的市场还包括数字电视、嵌入式设备、数码相机、便携 GPS 设备等等，不过三星并不是希望它快速取代传统的 NAND，而是将其作为 NOR 的竞争者。在具体实现上，OneNAND 其实并不复杂，三星并不是采用另起炉灶的方式来设计它，而是巧妙地将 NAND 与 NOR 的结构融为一体。OneNAND 采用 NAND 逻辑结构的存储内核和 NOR 的控制接口，并直接在系统内整合一定容量 SRA
15、M 静态随即存储器作为高速缓冲区。这样，OneNAND 就可以在容量指标上与 NAND 闪存靠拢，目前它的最高密度指标达到 4Gb，虽然在容量上略不如 NAND 但比 NOR 闪存要高出许多。为满足不同层次的需求，三星还推出包括 512Mb、1Gb 和 2Gb 的多种容量供选择。图 2 三星 OneNAND 闪存的逻辑构成OneNAND 的特点NAND 内核并不具备本地执行代码(XIP,eXecute In Place)的能力，但这项功能对各种需要快速程序运行终端设备来说非常重要。三星作出的解决办法就是依靠高速 SRAM 缓存在存储器家族中，SRAM(Static Random Access
16、Memory 静态随机存储器)的读写速度最快，CPU 内的 L1 Cache 和 L2 Cache 采用的就是 SRAM 逻辑，可具备与 CPU 等速运行的能力。当 OneNAND 执行程序时，代码必须从 OneNAND 存储核心载入到 SRAM，然后在 SRAM 上执行。由于 SRAM 的速度优势，数据载入动作几乎可以在瞬间完成，用户感觉不到迟滞现象，加上SRAM 被直接封装在 OneNAND 芯片内部，外界看起来就好像是 OneNAND 也具备程序的本地执行功能。这种工作模式非常巧妙，并可收到与 NOR 相同的效果，但缺点是 SRAM 逻辑的晶体管利用效率非常低，无法实现较大的容量，三星在
17、OneNAND 中只是集成 1KB 容量的 SRAM，因此 OneNAND 暂时只支持 1KB 代码长度的 XIP在这方面，OneNAND 显然还无法与 NOR 闪存相媲美。不过，OneNAND 的读写性能相当出众，三星最新的 OneNAND 产品拥有高达108MBps 的数据读取带宽，这已达到与 NOR 闪存相当的水准这个速度也远远超过了现在的 7200 转桌面硬盘。相比之下，常规 NAND 闪存的读取性能只有区区 17MBps，两者存在巨大的性能差异。其次，OneNAND 的数据写入速度达到9.3MBps，虽然远远不如 108MBps 的读取速度，但相比 NAND 闪存的 6.8MBps
18、也已经有长足的进步了。与之形成鲜明对比的是，NOR 闪存的写入速度只有可怜的0.14MBps，几乎称得上是慢如蜗牛。在数据擦除方面，OneNAND 与 NAND 的指标相同，都达到 64MBps，而 NOR 闪存更只有区区 0.11MBps，与前两者完全无法相比。从性能角度来看，OneNAND 无论读、写还是擦除都明显凌驾于 NAND 之上，NOR 在写入/擦除方面的性能与之根本不具可比性，对嵌入式设备厂商来说，选择简单的 OneNAND 来代替 NOR+NAND 组合的方案是非常可行的。OneNAND Flash NAND Flash NOR FlashWrite 9.3MBps 6.8MB
19、ps 0.14MBpsRead 108MBps 17MBpsErase 64MBps 64MBps 0.11MBps由于 OneNAND 采用与 NAND 相同的存储内核，它也会遭遇存储坏块的问题。如果只是用在数据存储，这个问题似乎没什么大不了，但 OneNAND 必须用于系统代码的装载和执行，一旦出现存储坏区且该区正在执行代码访问，造成的后果便是设备死机或者关机，这其实也是 NAND 进入 NOR 应用领域的主要障碍。为了解决这个难题，三星公司为 OneNAND 闪存量身定做了一款名为“Datalight OneBoot”的嵌入式控制软件。Datalight OneBoot 具有高度灵活的特
20、性，可被简单地整合到各种类型的嵌入式系统中。在实际运行时，OneBoot 允许设备像使用硬盘一样来调用 OneNAND 资源，读写操作的具体算法由 OneBoot 在底层直接实现。而在关键的坏块管理上，OneBoot 通过实时扫描、瞬间屏蔽的方式来隐藏坏块。扫描工作一般在系统闲置时进行，如果 OneBoot 检测到存储区的某处存在坏块，那么 OneBoot 就对该区域作上标注，将坏块屏蔽起来，这样代码运行或数据读写时就不会访问到这个区域，保证系统运行及个人数据存储的可靠性。这种机制非常有效，往往是坏块刚刚产生就被 OneBoot 检测到并屏蔽，没有什么机会被程序或用户所访问。因此尽管 OneN
21、AND 仍在物理上具备类似 NAND 的不可靠性缺陷，但三星的 OneBoot 嵌入式控制软件在很大程度上可以将之消除，该套系统的可靠性完全可以同搭载 NOR 闪存的系统相媲美。为了让 OneNAND 能进入更多领域，三星还在 OneBoot 基础上发展出增强的“OneBoot+File”技术，后者除了具备 OneBoot 所有的功能特性外，还能够明显加快系统的启动速度。OneBoot+File 的启动加速技术有些类似于计算机的“休眠”，它在运行时可以自动保存系统的工作状态，在下一次启动时直接从该状态恢复。三星表示，采用 OneBoot+File 控制软件，系统的启动速度可比常规方式快出 88
22、%，几乎是即开即用。鉴于掌上设备日趋复杂化，软件功能增加，启动时间也相应延长，而选择三星的 OneNAND 闪存与 OneBoot+File 控制软件方案可很好缓解这些问题，这在智能手机、掌上电脑、高性能数码相机等产品中尤其具有积极意义。OneNAND 的四套应用方案为了让 OneNAND 可进入多个领域，三星总共提出了四套不同的 OneNAND 应用架构，分别针对手机、数码相机/数码摄像机、数字电视/数字机顶盒以及大容量的硬盘 MP3 播放器，下面我们将分别对此进行分析。手机平台如前所述，现阶段手机一般采用 NORNANDRAM 的方式，由于NOR 必须装载系统软件，需要使用较大的容量。引入
23、 OneNAND 闪存之后，手机厂商可以先选择 NOROneNANDRAM 的混合模式，其中 OneNAND 可存放代码运行的中间数据，这样手机厂商就可以适当削减 NOR 闪存的容量以降低成本。等到时机成熟，手机厂商完全可以将 NOR 移除，构成由 OneNAND+RAM 的简单方案。在这套系统中，OneNAND 闪存既可以承担系统程序运行职能，也将用于数据存储，由于结构简单，手机厂商可以实现产品的轻薄化并使成本得到有效控制。图 3 OneNAND 取代NOR 在手机平台中的应用数码相机/数码摄像机平台现有的数码相机/数码摄像机产品的存储系统一般由“NORSDRAMNAND 闪存卡”构成。NO
24、R 用于存放数码相机/摄像机的嵌入式程序，用户拍摄生成的照片或者视频则必须存储在专门的闪存卡中。如果厂商愿意选择 OneNAND，那么该平台的存储架构将变成“OneNAND+SDRAM”OneNAND具有较大的容量，可在一定程度承担起用户数据存储职能，厂商只要在产品设计一个闪存卡接口即可，如果用户有扩展容量的需要，可自行到市面上购买相应标准的闪存卡。对数码相机/摄像机厂商来说，采用 OneNAND 同样可以降低产品的制造成本，而用户也可具有更高的自主性，至少不必担忧自己购买大容量闪存卡之后，原先标配的小容量闪存卡就派不上用场。 图 4 OneNAND 取代 NOR 在数码相机/摄像机平台中的应
25、用数字电视/机顶盒平台该平台目前多采用 NORDDR SDRAM 存储方案，NOR 用于存储嵌入式系统，DDR 内存则用于装载生成的数字电视图像。厂商可以直接用OneNAND 闪存来代替 NOR。由于 OneNAND 有较大的容量，读写速度快，可以存放诸如节目列表、节目记录以及用户截取的电视图像，厂商可以籍此提高产品的人性化功能，增强自身的竞争力。图 5 OneNAND 取代 NOR 在数字电视/机顶盒中的应用硬盘 MP3 播放器 iPod 的全球流行引发 MP3 播放器的热潮，尤其是拥有大容量硬盘的产品更是受到广大用户的青睐。目前硬盘 MP3 播放器多采用“小容量NORDRAM硬盘”的存储方
26、案，NOR 只能用于存放播放器的操作系统软件，而DRAM 必须在暂存程序数据的同时，存放用户的音乐文件列表。由于 DRAM 无法在掉电状态下保存数据，因此为了保存用户的音乐文件列表就必须对 DRAM 作不断的刷新，且要求 DRAM 具有较高的容量。这些因素都将导致系统能耗提升，电池使用时间缩短。如果厂商以大容量的 OneNAND 来代替 NOR，那么音乐文件列表就可以被存放在 OneNAND 闪存中，DRAM 的工作负荷大大减轻，对容量要求也不那么严格，该部分的能耗就可被有效降低。三星详细列出这两种方案的能耗对比：在 NORDRAM 的传统组合中，DRAM(512Mb)要求有 200uA 的电
27、流供应，而在OneNAND+DRAM 的新方案中，DRAM(只需 64Mb)系统只要求 90uA 的电流，后者在整体上明显要更为节能。图 6 OneNAND 取代 NOR 在硬盘 MP3 播放器中的应用Spansion ORNAND 闪存Spansion 是 AMD 与富士通的闪存业务在 2003 年重组合并后成立的企业，在成立伊始，Spansion 一度占据 NOR 闪存市场的领导地位，后来英特尔以半导体制造技术及成本方面的优势成功反超，Spansion 在 NOR 领域的市场份额屈居第二。尽管如此，Spansion 强大的技术实力为业界所公认，在 NOR 领域，Spansion 以 Mir
28、rorBit 技术实现 NOR 产品的高密度化，后来 Spansion 又在该技术的基础上推出 ORNAND 新概念闪存，它集 NAND 的高密度、高写入速度与 NOR高读取速度、高可靠性等优点于一身，堪称 NAND 的有力竞争对手。但由于Spansion 的资源不够充足，一直未能将 ORNAND 推向市场，直到 2005 年 9 月底该公司才宣布将在今年中期以 90 纳米工艺来生产 ORNAND 闪存。这样在三星的OneNAND 之后，市场上将出现第二种融合 NAND、NOR 特点的通用型闪存产品，这对于闪存市场的未来发展无疑有着深远的影响。决定存储密度的三种实现技术由于 ORNAND 是以
29、第二代 MirrorBit 技术为基础，因此我们必须预先来介绍MirrorBit。第一代 MirrorBit 技术由 AMD 公司在 2001 年提出，目的是克服 NOR闪存密度低的缺陷，开发出较大容量的产品。而凭借这项技术，AMD 逐渐在大容量 NOR 闪存领域获得领先优势。2003 年，AMD 发布更成熟的第二代 MirrorBit，并同时推出基于该技术的 512Mb NOR 闪存，创下 NOR 闪存容量的最高纪录。同年 AMD 与富士通闪存部门重组成立了 Spansion，MirrorBit 便归于新公司的旗下。2004 年，Spansion 将第二代 MirrorBit 技术投入量产，
30、一举奠定了自己在高容量 NOR 产品中的绝对优势。直到今天，Spansion 都是唯一能够大量供应512Mb NOR 产品的闪存厂商。与之相比，英特尔虽然依靠低价获得市场领先，但它目前才开始进入 512Mb NOR 的量产阶段，技术开发上落后于 Spansion。我们在前面详细介绍了闪存的基本原理：每个基本存储单元(CELL)都有贮存电子的浮动栅，对应二进制数据的存储。NOR 和 NAND 型闪存有 SLC(Single-Level-Cell，单极单元)和 MLC(Multi-Level-Cell，多级单元)两种技术方案，其中 SLC 也是最传统的方式：一个存储单元对应一个比特位数据，其优点是
31、技术成熟可靠、高性能和较长的使用寿命，为了弥补容量方面的不足，闪存厂商往往采用多核心封装或芯片堆叠技术，它也是当前最主要的 NAND/NOR 闪存技术方案。而 MLC 技术由英特尔在 1997 年 9 月开发成功，其目的是让一个浮动栅(Floating Gate)能够表示两个比特位的信息。为了达成这一目的，英特尔采取一种类似于 Rambus QRSL 的电荷控制技术，通过精确控制浮动栅上的电荷数量，使其呈现出 4 种不同的存储状态，每种状态代表两个二进制数值(00、01、10到 11)，通过这种虚拟的方式实现存储密度的翻倍。在英特尔之后，东芝公司也开发出类似的 MLC 方案，并将其用于 NAN
32、D 闪存的生产。然而，MLC 存在一些非常严重的先天缺陷。MLC 必须以成对的两个比特位作为基本的操作单位，导致其存在功耗较高，使用寿命只有 SLC 方案的十分之一(MLC 闪存的使用寿命只有最多 10000 次写入)。与之相比，SLC 方案虽然存储密度较低，但具有高性能、低能耗和长使用寿命的优势，且可通过技术手段来提升 SLC 闪存的存储容量。也正是由于这些原因，MLC 始终都没有被广泛采用，无论 NAND 闪存还是 NOR 闪存，都是以 SLC 方案为绝对主流。Spansion MirrorBit 技术的功能与英特尔的 MLC 方案非常类似，它也是通过让一个基本存储单元中存储两个比特位，实
33、现容量增倍的目的。但 MLC 只是利用一个浮动栅，通过精确的电荷控制来实现双比特位的表达，而 MirrorBit技术则是在一个浮动栅的两侧分别构建彼此独立的信息位，两者通过非导体硅间隔(MLC 为导体硅材料)。这样每个信息位在读取或编程操作时都不会影响到另一侧的信息位，由此在一个存储单元内实现两个比特位信息的存储，相当于记录密度提高了一倍，而所付出的代价就是需要少许增加晶体管内的逻辑单元。在操作模式方面，MirrorBit 也明显优于 MLC，后者要求以一个浮动栅内的两位比特作为基本操作单位，也就是无论读取、写入、擦除都必须同时涉及这两个比特位，不仅做法僵化且带来高功耗、低性能和低可靠性的弊端
34、；MirrorBit 仍然以单个比特作为基本操作单元，浮动栅两侧的信息位不会相互干扰，效果等同于拥有两个浮动栅，因此 MirrorBit 闪存可具有与 SLC 相同的低功耗、高性能和高可靠性优点，又能够将存储密度提高一倍，堪称一项完美的解决方案。再者，MirrorBit 技术拥有更低的制造成本，其关键制造步骤要比传统的 NOR 减少 40%，总体制造步骤则可以减少 10%，这在很大程度上降低了芯片的制造成本。遗憾的是，由于 Spansion 的半导体制造实力远逊于英特尔，产品制造成本较高，MirrorBit 在这方面的优势也无从发挥，这也是在过去两年间英特尔在市场上击败 Spansion 的主
35、要缘由。早在 2004 年 10 月份，Spansion 就向外界透露开发第三代 MirrorBit 技术的口风，它将在第二代 MirrorBit 的基础上结合 MLC 技术，这样便可以在一个单元内存储 4 个比特，再度实现存储密度的大跃进。但此项技术仍然将面临 MLC功耗较高，使用寿命不长的弊病，也许正是因为这些问题让 Spansion 放缓了开发步伐，该公司在 2005 年的主要革新就是 110 纳米技术升级为 90 纳米，并与第二代 MirrorBit 相结合1Gb NOR 闪存便是上述技术成果的结晶；至于第三代 MirrorBit 的推出日期 Spansion 尚未披露。图 7 MLC
36、 通过 4 种电平值来实现在一个浮动栅中存储两位信息的目的以 MirrorBit 为基础的 ORNAND 闪存2005 年 9 月，Spansion 公司在美国奥斯汀宣布开始制造基于 MirrorBit 技术的 ORNAND 闪存，正式进入通用闪存市场。由于 Spansion 过去只有 NOR 业务，ORNAND 闪存的出现将有力拓展 Spansion 的市场空间，并可从目前高速增长的NAND 市场中受益，这一点与三星 OneNAND 战略如出一辙。与三星 OneNAND 类似，ORNAND 也是 NOR 与 NAND 的结合体，具有 NOR 与NAND 一些共同的优势。在基础架构上，Span
37、sion ORNAND 秉承第二代 MirrorBit技术，通过双信息位的方式实现媲美 NAND 的高存储密度。而在性能方面，ORNAND 表现十分出色，其读取性能与 NOR 相当，写入速度则比 NAND 快得多。尤其是突发脉冲(Burst)模式下，写入速度可比现有的 NAND 产品快出 4 倍，堪称是目前速度最快的闪存产品。此外，ORNAND 具有 MirrorBit 技术的其他所有优点，如高可靠性、低成本、低功耗等等，相对于 NAND 闪存的技术优势极其明显。第三，ORNAND 拥有 NOR 和 NAND 两种接口，OEM 厂商可以根据自身需求，采用NOR 或者 NAND 接口将它与系统进
38、行整合。不过，ORNAND 与三星 OneNAND 一样都无法直接支持 XIP 代码本地执行功能，而是必须通过另外的 NOR 或者将 ORNAND的指令代码下载到 DRAM 中方可运行。由于 ORNAND 的读取速度媲美 NOR，将指令下载到 DRAM 运行的方式并不需要耗费太多时间，系统依然可保持快速的启动和较快的响应，因此 ORNAND 就具有与三星 OneNAND 类似的功能：既可以存储嵌入式程序的代码，也可以作为数据存储之用。但与 OneNAND 不同的是，ORNAND 并不是作为 NOR 的替代技术，Spansion 只是希望将它与 NAND 产品竞争，进入到NOR 闪存无法踏足的数
39、据存储领域，例如数码相机/摄像机、MP3 播放器、数字电视等等。但 Spansion 表示说将把重点放在嵌入式应用，而暂不考虑进入闪存卡、移动存储器等领域，估计这与该公司无法提供足够的产能有关。在宣布 ORNAND 闪存进入制造阶段的当日，Spansion 公司还演示了一个利用Spansion 1Gb ORNAND 闪存以及 TI OMAP 处理器所组成的手机系统。该套系统仍然采用 NOR 作为指令代码的存储器件，ORNAND 则用于存放用户的图像、音频、视频等多媒体数据。在演示中这套系统可以每秒 15 帧的速度流畅地播放 MPEG4视频，并可支持数码相片的快速存取，整体表现明显优于当前高端娱
40、乐手机普遍采用的 NOR+NAND+DRAM 方案。Spansion 也希望 ORNAND 能够在这些场合取代NAND 闪存，以进一步扩大自己在闪存市场的占有率。换句话说，ORNAND 的竞争对象只是 NAND，它与 NOR 更多是一种协作的关系(虽然在技术上 ORNAND 可以取代 NOR)。Spansion 现在已经是 NOR 领域数一数二的重量级大厂，ORNAND 采用这样的设计定位就不难理解了。ORNAND 能否取得预期的成功很大程度上取决于成本状况。对此 Spansion 表示说 ORNAND 的制造成本与同容量的 NAND 持平甚至略低，该公司先期推出的 1Gb ORNAND 闪存
41、的价格也与其他厂商的 1Gb NAND 产品完全相同。由于 ORNAND 拥有绝对的性能优势，对 OEM 厂商颇容易产生吸引力。Spansion 计划在明年推出2Gb 容量的 ORNAND 闪存以满足市场需求，但外界更关心 Spansion 能否提供足够多的产能。由于业界对 Flash 闪存的需求极其旺盛，尽管各半导体厂商都开足马力生产还是无法完全满足需求，对 OEM 厂商来说，能否按时、足额提供产品往往比产品的性能本身更为重要，像苹果这样的需求大厂为了保证货源都采用预签协议的方式订购，而 Spansion 在制造方面的实力较为薄弱，直到 2005 年9 月份才开始转向 90 纳米工艺(晶圆尺
42、寸仍然维持在 8 英寸规格)，而全部的工艺转换完成必须花费整整一年时间。为解决产能问题，Spansion 与台湾半导体大厂台积电(TSMC)进行合作，由后者为 Spansion 生产 110 纳米 MirrorBit 产品，而 Spansion 自己的晶圆厂则开足马力制造 90 纳米的 ORNAND 和高密度MirrorBit 闪存，以满足市场的旺盛需求。图 8 MirrorBit 闪存的逻辑结构示意，一个浮动栅中拥有两个信息位。前瞻：无限广阔的市场前景在旺盛需求的带动下，闪存业一直保持超高增长速度，市场规模急剧扩大。显而易见，诸如数码相机、音乐播放器、娱乐手机、数字电视等等消费电子产品在未来
43、必然将越来越普及，闪存将拥有无限想象的市场空间。为了提高竞争力，各大半导体厂商都会尽一切努力进行新技术的研发，开发出高速度、大容量、高可靠性以及低功耗、低成本的产品成为各个厂商的共同目标，NAND 与NOR 的融合也被业界普遍认为是未来的趋势。很明显，三星公司和 Spansion 公司将在这一领域占据主动。而在市场推广方面，三星的 OneNAND 已走在前面。OneNAND 闪存在 2004 年投入量产到现在，已经获得市场的充分认可。三星公司每个月向各手机制造商出货 300 万单位的 OneNAND 闪存芯片，发展势头非常迅猛，这不可避免对 NOR 闪存厂商带来不小的竞争压力。Spasnsion 虽然动作滞后，但在今年实现 ORNAND 闪存量产之后，同样有望开辟一片新天地，将战火烧到NAND 的头上。然而，这仅仅只是开始，OneNAND、ORNAND 给闪存业带来何种变革现在言之过早，但对任何一个闪存企业来说，如果不积极开发新技术、提高产品的竞争力，恐怕将很难在激烈的竞争中立足。图 9 Spansion 出品的 512Mb NOR 闪存，在容量上领先于竞争对手。
