多年媳妇熬成婆:Flash Memory撑起半边天!

本文作者:admin       点击: 2005-05-11 00:00
前言:
文/任苙萍

闪存(Flash Memory)是非掉电易失性内存的一种,具有关掉电源仍可保存数据的优点,同时又具备掉电易失性内存可重复读写且读写速度快、单位体积内可储存最多数据量,以及低功耗特性等优点,故是现阶段行动储存装置的首选。近年来由于手机、PDA、MP3、DSC等应用系统的带动,Flash Memory的需求量和容量也有了跳跃式的成长。
     
<b>Flash Memory的技术特性</b>
Flash Memory的标准物理结构,称之为基本位(cell);一般MOS闸极(Gate)和通道的间隔为氧化层之绝缘(gate oxide),而Flash Memory的特色是在控制闸(Control gate)与通道间多了一层称为“浮闸”(floating gate)的物质。拜这层浮闸之赐,使得Flash Memory可快速完成读、写、抹除等三种基本操作模式;就算在不提供电源给内存的环境下,也能透过此浮闸,来保存数据的完整性。

Flash Memory芯片中单元格里的电子可以被带有更高电压的电子区还原为正常的1。Flash Memory采用内部闭合电路,这样不仅使电子区能够作用于整个芯片,还可以预先设定“区块”(Block)。在设定区块的同时就将芯片中的目标区域擦除干净,以备重新写入。传统的EEPROM芯片每次只能擦除一个字节,而Flash Memory每次可擦写一块或整个芯片。Flash Memory的工作速度大幅领先于传统EEPROM芯片。

从技术面观之,根据内存晶体管设计架构之不同可分为Cell Type以及Operation Type两种,后者依功能别又可区分为Code Flash(储存程序代码)以及Data Flash(储存一般数据);其中Code Flash驱动方式有NOR及DINOR,而Data Flash的驱动方式则有NAND及AND。其对应关系如下:
过去一般闪存大厂如Intel、AMD、或是台湾的旺宏等,都是以生产NOR Flash闻名,最常见的应用就是行动电话;虽然这种NOR内存的读写速度快,但高成本却是个问题。另一种名为NAND Flash的半导体技术容量较大,以目前韩国的Samsung所生产单颗的NAND Flash内存来说,最大容量已高达8 Gbit,所以这种内存多用在一般需要大容量的记忆卡、USB随身,或MP3随身听中。
     
<b>NAND独领风骚</b>
NAND型闪存的应用除了内建在机器上,为了扩充及使用方便,亦有像软盘片一样可携式的包装,也就是闪存记忆卡,如:Compact Flash、Smart Media、Multi Media Card、Memory Stick与Secure Digital等。然而,随着现代人对数字电子产品的依赖日深,对基本储存容量的需求亦突飞猛进,因此,嵌入式Flash Memory的行情便跟着一片水涨船高。这种内存的读写速度虽然比较慢,但是成本极低,便成了需要大记忆容量电子产品的必要配备。

In-Stat在四月初发布了一份报告指出,预估在2008年NAND Flash市场的终端产品出货值将是2004年的三倍多,从50亿美元激增到180亿美元,最大的应用是记忆卡或USB随身碟,而容量和售价则是顾客最感兴趣的两件事。

插卡式市场的加持,使NAND Flash成为十足consumer-driven导向的产品,且对价格十分敏感,但也意味着可透过感受消费者价值来创造产品的差异化;倘若能把握此良机,In-Stat的资深总监Frand Dickson认为到2009年,Flash记忆卡的市场将接近120亿美元。
无独有偶,三星(Samsung)半导体事业部门总裁黄昌圭也对NAND Flash市场抱以相当高的期待。在稍早列席三月份的Samsung年度盛事--Mobile Forum宣称,随着消费电子产品普及率增加,且内容丰富度愈来愈高,个人所需要储存容量将大幅增加,且这些储存内存也将由过去以硬盘为主,渐由NAND型Flash芯片组取代。

依全球NAND型Flash芯片组市场占有率来看,三星电子(Samsung)目前虽已站稳全球第一大NAND型Flash芯片组供货商地位,然而为防卫东芝(Toshiba)的制造成本远低于现阶段三星SLC型Flash芯片组MLC规格产品。

<b>锐不可挡的趋势</b>
黄昌圭认为的未来内存演进的可能路径如下:全球半导体市场将因消费者对于知识内容需求度不断拉高而继续成长,储存装置也将从原本的卡匣式产品转进到光盘片或硬盘,再大幅转进Flash架构产品,最后是所有计算机、通讯及多媒体功能均将整合至单一掌上型装置内部,这也是为何三星如此注重Mobile领域的主因。

他并指出,2001年时每个人所需要储存容量约在1Gb,但受到知识需求度大幅增加,以及储存装置转进Flash架构的影响,2005年个人储存需求量已成长至20倍!到2007年更将一举拉高达100Gb高额容量,这当中大多数将会以Flash芯片组为主要架构,且未来推动全球半导体产业最大动能将来自于Mobile,预计2007年Mobile所创造出的半导体产值,将与PC相当。

就目前全球NAND型Flash芯片组供需状态来看,就算到2005年第二季,仍将持续处于供货吃紧状态;加之NAND Flash将会取代其它记忆产品,成为Mobile市场中主流储存装置的推力使然,因此NAND Flash需求量成长速度,仍将远超过供给速度。单是近来的当红炸子鸡--Apple为了替iPod Shuffle铺路,已包下三星在NAND型Flash上超过30%的产能;东芝将在2005年初开始供应Apple Flash芯片,市场预估2005年出货可达1,000万台的规模,就足以令人刮目相看,另两大趋力则是掌上型游戏机和外插式记忆卡。然而这块大饼也的确不是那么容易吃得到,主要原因是Data Flash的硅智财权(IP),多掌握在三星电子(Samsung)、东芝(Toshiba)、瑞萨(Renesas)三大供货商手上,迫使其它业者难以在短时间内快速跨越这个市场门坎。
  
<b>NAND长NOR消,零和游戏?</b>
NOR与NAND,原本是各司其职的两种类型,不料在种种因素的潜移默化之下,曾几何时,Flash市场竟也开始上演“兄弟阋墙”的戏码。从原本是NOR阵营的三星,也转而跟随东芝分别导入70纳米(产出会较90纳米增加四成)投产NAND Flash的决定,就不难窥其端倪;美光将于六个月后导入70纳米。

而刚脱离AMD怀抱的Spansion(原为AMD和Fujitsu的合资企业)和STMicroelectronics为降低营运风险,亦将在今(2005)年投入NAND Flash市场,采取所谓“集大成”的策略。而在美国维吉尼亚州拥有8英寸晶圆厂、展开NAND与NOR Flash量产的Infineon,亦计划在2005年中将原本的0.17微米制程,转换成0.11微米制程以生产512Mb的NAND Flash,并预计陆续进行1Gb NAND Flash的投产。在在都间接印证了这样的讯息。
在封装处理上,TI与Qualcomm共推最新基频处理器,提供手机业者以NAND Flash加上SDRAM多重芯片堆栈式封装方案,取代现行NOR Flash加上Pseudo SRAM;而三星则推出高容量2.5Gb多重芯片封装(MCP)手机用内存解决方案,以两颗1Gb的NAND Flash堆栈而成,再加上两颗256 Mb的DRAM颗粒,特别设计用以支持低功耗的需求。

<b>坚守NOR Flash阵线</b>
然而人各有志,业界也不乏持有不同意见的厂商。例如茂德、华邦依然相当看好NOR+Pseudo SRAM未来的发展,华邦更在策略上重压Pseudo SRAM产品线,使其成为营运重心。资深龙头Intel亦未曾暂停NOR的开发脚步,于2004年春季IDF发表全球第一套采用90纳米制程技术的NOR闪存;在一年后的此刻,更在日前甫落幕的IDF中,公布针对手机和嵌式入装置所设计的最新NOR Flash产品线。

Intel Wireless Flash Memory是英特尔第9代闪存技术,其晶粒尺寸比前一代产品缩小50%,这将有助于降低成本并让英特尔的产能增至两倍,采堆栈型芯片规格封装(Chip-Scale Packing, CSP)系列产品的最新成员,结合高密度的闪存产品以及高弹性的RAM方案,在小如8 mm x11 mm的封装规格中可达1 Gb的储存密度。

该项发布表明了Intel坚决巩固市场领导者的地位。在此次发表的一款针对手机市场的产品代号为“Sibley”,是第一款采用Intel 90nm生产制程的MLC Flash闪存产品。该产品系列提供业界最快的NOR读取速度,能够零等待代码执行,执行速度为108MH。此外,Sibley系列的写入速度也达到了500KB/S,能满足现在无线多媒体信息的存储写入速度要求。该产品大大增加了NOR Flash 产品的容量密度,最高单芯片达到了512MB容量,同时该芯片提供了多重RAM接口,使得手机设备生产商能更容易的设计。

此外,Intel还发表了用于手机产品开发名为“Naubinway”的Flash软件,以及为多媒体手机设计的下一代Intel Flash Data Integrator (FDI) Flash 文件系统,同时也公布了针对嵌入式装置开发设计的“Sixmile”产品系列。可见关系到整个开发流畅度的软件工具已日受重视,不再屈居配角地位。
  
<b>牵动内存大厂策略布局</b>
NAND Flash的制程基本上是堆栈闸极(stack gate)的结构,中段制程有一些覆晶的制程,但却无太过复杂的金属联机制程,与堆栈电容(stack capacitor)的制程差异不算太大;加上Flash制程大致领先DRAM制程一到一个半的世代,所以用Flash制程当成DRAM的先驱技术已成通识。这也意外引发了另一个效应:因欲以Flash制程当成制程开发的前哨站,故厂家似乎也有意将Flash制程与DRAM制程的差距缩小,以便生产设备可在两种产品制造之间流通;于是,策略定位的第二个综效─生产制造产能的共享与调节于焉形成。

另由于要将内存模块以嵌入式制程整合入其它逻辑功能模块中并非易事,于是MCP便成为较实际可行的整合方案(注:事实上,除了整合之外,MCP还提供Form Factor的好处;MCP可用堆栈的方式来进行,也可用厚度以交换面积,有点类似三度空间的制程。)于是时势比人强,在MCP(Multi-Chip Packaging,多芯片封装)的盛行下,为筹设Combo版的内存─即结合Pseudo SRAM与NOR Flash的综合内存(主要应用于手机)的策略走法,无力独揽所有相关制程的厂商,便开始了一连串“合纵连横”的策略联盟战略,旨在获取第三个构面的综效。
  
<b>Flash可能的运行轨迹</b>
Flash Memory产品的发展深受其应用系统产品影响。手机市场几乎是众厂商有志一同的头号标的,其中又以音乐相关应用最被看好;以平均一首歌约消耗4MB来计算,现今结合音乐的手机普遍需要256MB到1Gb的容量,再加上周边DSC、PMP的相得益彰,也无怪乎Embedded NAND Flash如此受青睐了。另一方面,强调外观轻薄短小且电池使用时间长短也是很重要的考量因素。此外,Flash未来可能有两大走向:
  
(一)多芯片封装与嵌入式设计日盛
MLC型多层单元技术,以日系厂商东芝为代表;以前采用0.17微米制程,经过不断改进,现在0.13微米已成主流。相较于SLC,使用多层单元技术的MLC闪存芯片存储密度较高,价格更有竞争力,但读写速度较慢、功耗也比SLC型高,在相同使用条件下比SLC要多15%左右的电流消耗,因此使用寿命较短。MLC型闪存芯片的优势还是在于它的成本,可以很方便的提高产品的存储密度,而无需额外投资生产设备,所以现在市场上可见的很多品牌采用MLC型闪存芯片,毕竟这样可以降低成本。
由于系统产品轻薄短小的趋势,所以Flash Memory在系统产品中能用的空间越来越小,因此将Flash Memory和SRAM封装成一颗芯片的多芯片封装(MCP)技术很普遍地应用在行动电话上。另外将Flash Memory整合进其它芯片的Embedded Flash也可望成为未来的趋势,一旦整合芯片有成本上的效益时,厂商就可能采取Embedded Flash的方式来减少空间。行动电话用的Flash Memory设计目前仍没有标准化规格,尤其是高阶行动电话,厂商以自家独特的设计尽力满足系统厂商的需求。
  
(二)捞过界的跨领域发展
究竟谁更适应在手机中作为永久性design in的内存?长期以来,NOR Flash闪存向来在手机中占主导地位。目前多数手机皆利用NOR储存执行代码,同时搭配SRAM或PSRAM作为暂存或工作内存。但有鉴于新一代手机不仅是通讯装置,而且还是MP3播放机、PDA和数字相机及录像机。所有这些新功能促使手机对于数据处理和储存的需求迅速增长,NAND厂商有意提倡把NAND与SDRAM相结合,以取代NOR Flash。
但也有业界先进辩称:NOR已在手机中应用了十多年,手机开发商和经销商对此都很熟悉,因此在该领域还是有优势。特别是NOR内存在写一次、读多次的应用环境中具有很好的性能,而这种应用环境在手机中十分广泛。例如:手机生产时安装一个游戏,用户可多次执行该游戏。在手机领域的NOR和NAND之争中,其实还存在一些中间路线的解决方案。如:三星在最新的一种四芯片和多芯片移动装置中,即同时使用了NAND和NOR类型的Flash Memory。

<b>结  语</b>
随着电子产业的成熟与微利化,加上中国大陆的竞争,未来台湾固有强项--Logic与DRAM的成长恐将有限,假如要靠这些产品来建造新的12英寸厂以降低生产成本,恐会陷入找不到产品来填产能或做先进制程技术开发的困境。反之,眼见未来类似iPOD这类个人视听产品、记忆卡、快闪碟的高成长性,NAND Flash的成长空间却可期;难保这些具有NAND技术的IC公司,在未来12英寸晶圆制造厂的产能扩充起来、生产成本大幅降低后,不会再将产能转回来做DRAM与逻辑性IC?面对市场遭到市场及如何维系精湛研发能力的隐忧,台湾厂商实不可轻视。

最后就企业经营的面向来看,以M-Systems为例,在耕耘手机市场之初,就把重点放在智能型手机的发展,今天终见成果(据了解,M-Systems很快将发布512MB的版本);在全球Smart Phone市场抢占约15%的市占率(若扣除Symbian-based这个颇具“是否可归类于智能型手机?”争议性的部分,可能要更高),不枉这段时间所付出的心力。对照Jim Collins曾在“从A到A+”一书所提到“刺猬原则”:从优秀到卓越的公司会把策略奠基于对三个重要面向的基本了解上,将这样的理解转换为单纯而清晰的概念,并成为一切努力的依归…或许M-Systems“Leaders in Flash Data Storage”的专精发展策略,亦不失为一段佳话。