為了持續提高NAND Flash的儲存容量與密度,東芝(Toshiba)計畫一改過去持續挑戰半導體製程極限的作法,轉而透過3D結構以提高NAND Flash的儲存密度。此外,其他記憶體廠商也都不斷開發新技術以取代傳統浮動閘極(floating gate)結構之NAND Flash,藉此解決該技術容量極限難以突破的問題。

NAND Flash深具應用潛力。圖為一款使用SSD的NB產品。
NAND Flash深具應用潛力。圖為一款使用SSD的NB產品。

由於許多產業觀察家認為45奈米或32奈米節點之浮動閘極NAND Flash結構很快會被淘汰,因此東芝積極開發新技術,其新概念是藉由堆疊記憶體元件所成的矽柱(pillars of silicon),垂直穿越電極材料層,並共享周邊電路。矽柱將穿入堆疊式基板孔洞,東芝稱這種結構薇「由閘電極和絕緣體薄膜組成的多層三明治結構」。矽柱表面上有塗層,閘電極以固定間隔圍住矽柱,外有預先製成的保存資料用氮化物(nitride)薄膜,每個接合處並有矽氧化氮氧化矽(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon;SONOS)結構,如此完成一個NAND單元。

儘管東芝這項技術的商用化時程尚未確定,然而這種浮動閘極結構將能大大改善NAND Flash之儲存密度,因此許多大廠例如Motorola及Cypress都陸續採用。 而三星(Samsung)也自行開發類似浮動閘極結構的電荷擷取快閃記憶體(charge-trap flash;CTF),並聲稱此種CTF NAND架構晶片可減少增加資料讀取難度單元間干擾的問題,比起傳統NAND Flash將更可靠。

回頭來看看,為什麼NAND Flash會如此當紅呢?一般消費者也許輕而易舉可以發現,從手上的USB隨身碟、數位相機記憶卡、iPod以及Wii遊戲機等產品都可見到NAND Flash的蹤影,往後肯定還會有更多產品相繼使用。例如Intel的Turbo Memory技術(即2005年所提出的Robson技術)便是建議在PC主機板上設置模組插槽,以便插置NAND Flash做為傳統DRAM記憶體與硬碟間的緩衝及快取。相同的,Microsoft的Hybrid HDD,也同樣在硬碟上放置NAND Flash做為記憶體與硬碟間的緩衝與快取。而NAND Flash另一個主要應用將是取代傳統硬碟儲存,例如iPod便是以NAND Flash取代微型硬碟,而Wii則可將上網所下載的資料儲存在內建的NAND Flash中充當硬碟。此外,目前吵得火熱的OLPC,由於成本考量,也將以NAND Flash為主的SSD固態硬碟取代傳統硬碟。

NAND Flash之所以會如此受到重視,自然有其優勢存在。以NAND Flash取代硬碟,諸多優勢例如省電、抗震、存取快速等,而其缺點包括讀寫壽命不如硬碟,且現階段最大致命傷為價格尚無法有效壓低。然而各廠商均積極致力補強這些缺失,增長NAND Flash使用壽命,並降低售價。

而在行動應用方面,NAND Flash也漸漸用於取代NOR Flash。目前NOR Flash擅長於隨機存取,因此行動裝置的程式存取是以NOR Flash為主,只有大量資料的循序存取才使用NAND Flash。而現在廠商透過設計彌補NAND Flash的缺失,透過小容量SRAM做為NAND Flash的快取,使NAND Flash的隨機存取速度增快,同時將NAND Flash的存取介面轉換成相容於SRAM的介面,如此一來NAND Flash就能模擬NOR Flash,並進而取代之。

觀察NAND Flash產業現況,廠商不斷進行整併,或宣佈退出該產業。例如日前Renesas及Qimonda宣佈退出此市場;Toshiba與SanDisk則結盟合資興建12吋晶圓廠;Hynix與STM也將合作在中國無錫設立合資公司,並興建8吋晶圓廠與12吋晶圓廠客一座;此外,Intel與Micron將成立IM Flash公司,並宣佈在新加坡建立12吋晶圓廠一座以增加產能。在經過一番整併之後,NAND Flash產業未來將呈現Samsung、Toshiba、Hynix及IM Flash四大集團分庭抗禮的局面。

2006年NAND Flash產業排名第一的廠商為Samsung,年營收56億1400萬美元,市佔率為45.4%。第二名為Toshiba年營收則為32億2200萬美元,市佔率達26.1%。合計NAND Flash產業前二大廠商的市場佔有率已高達71.5%,如此更可看出此一產業未來將朝向專業化、大型化的趨勢發展,競爭廠商數減少,而市場佔有率則持續集中。

NAND Flash當紅,過去隨身攜帶的軟碟片早被「NAND Flash Inside」的隨身碟所取代。而未來NAND Flash更將大量應用於前述所例舉的各項應用,隨著往後技術的成熟與價格的進一步降低,NAND Flash肯定將更普及於消費者的生活當中。也期待台灣廠商藉由DRAM產業所打下的基礎,跨足到深具潛力的NAND Flash市場,以獲得更有利的發展契機。