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NOR记忆体朝向高容量、低功耗、小尺寸发展
迎向高速、高整合时代

【作者: 籃貫銘】2020年06月09日 星期二

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当前最受市场重视的储存产品,就属NOR Flash记忆体。这个一度被市场轻视的储存技术,现在不仅回了春,还翻身变成当红炸子鸡,产业界争相抢购,成了新冠疫情中,最耀眼的记忆体产品。


事实上,NOR跟NAND就好似亲手足的兄弟,因为两个技术都是由舛冈富士雄博士所研发,NOR还比较早问世(1980年),NAND则是再晚个几年(1986年),且两者都是属於非挥发记忆体的技术,并且是基於「电子抹除式可复写唯读记忆体(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM)」发展而来。


读取快 嵌入式应用优势隹

虽然较早被研发出来,但NOR并没有受到东芝的重视(当时舛冈富士雄任职於东芝),反而是英特尔看出了这项技术的潜力,并在1988年将之商业化量产。


至於NAND虽然较晚问世,但却享尽了後至者的优势,不仅制造成本被大幅改良,同时写入的速度和单位储存的面积,也有了大幅的提升。而在那个PC市场正要起飞的时代,NAND可说是完全符合装置对於高速储存的需要,也因此NAND的市场一发不可收拾。


然而到了5G和物联网时代之後,这个市场思维开始有了变化,比起写入速度,读取变得更加重要。这一切都得从NOR和NAND的本质差异说起。



图一 : NOR和NAND记忆体架构的差异。(source:Cypress,制图CTIMES)
图一 : NOR和NAND记忆体架构的差异。(source:Cypress,制图CTIMES)

同为非挥发性记忆体,NOR与NAND的差异其实也不大,他们的储存单元相同,工作原理也类似,但在资料读取的架构上有一个决定性的差异,也就是源级线(Source Line)和位元线(Bit Line)的设计不同。


在NOR记忆体,每一个记忆体单元(Memory cell)都应对一组字元线(word Line)、源级线和位元线,采用的是并联的结构,故在读取的性能上十分卓越,但写入与抹除的速度就差强人意。不过由於其快速读取的特性,实现了被称之为「晶片内执行(eXecute In Place)」的功能,十分适合嵌入式设计。然而,这样的结构会造成较大的单位面积,因此储存密度较低,同时生产成本也较高。


至於NAND Flash,则是一组记忆单元对应一个源级线,采用串联的结构,并非对每个记忆单元的单独存取,而是类似「整块」式的处理,因此在写入和抹除的速度较快,但是读取上就需经过先行定址,导致速度较慢。而由於采用串联式结构,因此单位的储存密度较高,制造的成本也较低。


由於在功能与应用上的不同,NOR後来被称为「编码型快闪记忆体」,而NAND则称之为「储存型快闪记忆体」,用以作为其市场的区隔。但除了体积和读写速度的不同外,不同记忆单元的结构也带来了在系统设计与耐用性上的差异。


首先在系统I/O设计上,NOR因为使用专门的位址引脚,因此易於与其他的方案进行整合,在系统的设计上较为简易,同时应用程式也可以直接在其上执行;至於NAND,就要有额外的定址设计(暂存器),才能有效率的进行资料存取,因此设计就较为复杂。


而在可靠性方案,NOR的写入和读取都是以独立记忆单元进行,因此系统在运行上先天就较为可靠和稳定;反之,NAND因为是成块处理又属随机分布,比较容易出现坏快,而且很仰赖控制器来稳定读写,因此系统本质上就比较不稳定,自然可靠度也较低。


重视执行速度 5G、车用、消费性电子纷纷导入

有了这种先天体质的差异,NOR的重要性在近期也因此备受注目,尤其是在5G基地台、汽车电子,以及高性能的工业应用上。这类型的应用十分强调系统的稳定性,同时也着重读取的速度(程序的反应速度),相当适合采用NOR快闪记忆体解决方案。


不过NOR Flash本身也有规格之分,也就是序列式(Serial)和平行式(Parallel),以及整合SRAM的多晶片封装(MCP)。目前则以序列式的产品市场比重最高。


所谓的序列式,则是指采用SPI同步传输介面的NOR记忆体产品。这类型的产品在I/O的硬体结构设计上较为简单,同时传输的速度也较快,特别是对於嵌入式产品系统来说,使用SPI介面的NOR记忆体在PCB上所需要的导线较少,因此有助於减少PCB的使用空间,进而缩减装置的体积,这对於物联网装置来说,是十分有利的特色。


汽车也是目前另一个NOR记忆体的主要应用之一。在ADAS、车联网、自驾车等新兴的汽车应用推动下,汽车的电子系统需要性能更强大的运算和储存解决方案,而NOR记忆体基於优异的读取速度和稳定性,就成了这些新兴应用的首选方案。



图二 : NOR快闪记忆体市场规模。(source:marketintellica,制图CTIMES)
图二 : NOR快闪记忆体市场规模。(source:marketintellica,制图CTIMES)

目前全球正在积极布建的5G基地台,同样也是看中NOR记忆体的读取速度和可靠度,在其系统内使用了大容量的NOR记忆体;另外,真立体声(TWS)无线蓝牙耳机也是目前正快速在消费性电子市场快速成长的NOR记忆体应用,所看重的,就是其易整合和讯号稳定快速的特性。


朝向高容量、低功耗和小尺寸发展

目前NOR记忆体的技术发展趋势,主要朝高容量、低功耗和小尺寸三个方向发展。


在高容量方面,由於自驾车和5G基地台这类高速高频宽的应用,对於程序运行的速度有较高的要求,同时所处理的数据量也较大,因此需要较高的NOR记忆体容量。以基地台来说,所需要的容量至少是1GB起跳,而目前市场上能供应此容量的业者十分稀少,主要以台湾的旺宏与美国的美光为主。


不过由於结构的限制,NOR记忆体微缩不易,而且市场和成本也难以支持制成再下探,因此目全球最小的NOR制程只到45奈米。旺宏电子也宣布,将不会再研发55奈米以下的NOR记忆体技术。


低功耗是NOR记忆体的另一大发展趋势,尤其对工业和物联网等装置来说,功耗的改进,是直接对产品的电池寿命和整体系统的能源效率进行优化。目前针对功耗敏感的装置.NOR记忆体已发展出1.2V的低电压方案,此外,为了适应更多不同系统的设计需求,NOR也推出宽电压的方案,能支援1.8V~3.6V的系统组合。



图三 : TWS无线耳机也开始使用NOR记忆体方案,开创了新的消费性。市场(source:iFix)
图三 : TWS无线耳机也开始使用NOR记忆体方案,开创了新的消费性。市场(source:iFix)

小尺寸,则同样相应於低功耗的趋势,对於消费性和物联网装置来说,体积也是锱铢必较,越小的晶片体积,对於系统设计越有利,不仅节省PCB的面积,同时也能增加在电池和其他整合设计的空间。以旺宏为例,他们即将推出的8MB NOR记忆体产品,号称是产业界最小的晶片,体积较前一代缩小了60%。


结语

对於一个完整的系统架构来说,记忆体乃是必要的元件之一,而NOR记忆体具备储存和快速读取的特性,自然为其奠下了一个明确的发展基石,尤其是在云端储存服务更趋成熟的未来,高容量的资料储存功能对於装置来说,将不再是主要的功能,反而是更快的运行速度和更高的可靠度,会是开发者所关注的焦点,而NOR的优势与需求将会更加明显,尤其是它还具备相当的成本竞争力,在更好的次世代记忆体方案问世之前,它将会占据主流的系统记忆体位置。


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