闪存的一些基本概念及其技术融合趋势(二)

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MirrorBit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，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NAND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；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，Spansion
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与台湾省半导体大厂台积电(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。