一般分別而言,有兩種非揮發性快閃記憶體(non-volatile Flash)可供系統設計者在儲存需要上選擇使用。

一種是NOR Flash,這是一種穩定可靠的記憶體,可以長時間讀寫並保存資料。但是它能夠適合生產的容量相對較低,一般在256Mb以下,並且單位成本相對較高。

另一種是NAND Flash,雖然較容易出現壞點(bit error),但它單位成本相對低廉,適合在需要高容量記憶體需求的應用上(data storage)——截至 2018年2月,先進製程的3D NAND可以生產容量高達6Tb,並且每單位成本非常低廉。

這為設計者在選擇快閃記憶體類型上提供了一個簡單、現成的經驗法則:

  • 編碼型儲存(Code storage),需要可靠的性能和長時間的資料保留,並且需要常常讀寫
    選NOR Flash
  • 資料儲存(data storage),需要高容量低成本,而且可以容忍壞點(bit error)
    選NAND Flash

這是總結了業界的一般假設及廣泛的觀點,既是事實,但也只是部份的事實。實際上,隨著製程技術在NOR和 NAND的演進,兩者的優勢和缺點也在改變當中。在某些情況下,NAND Flash也用在code storage上,不但提供相似於NOR Flash一樣的穩定可靠性能,並且單位成本只要不到一半。

本文要描述的就是NOR Flash在一些code storage應用環境上,並不是唯一選擇。

為什麼現在選擇Flash種類在個別應用上更加重要?

對於許多嵌入式應用(embedded applications)來說,使用串列式傳輸介面(SPI interface) 的NAND來取代 NOR,並不會有太多問題。但是在容量在256Mb以下,幾乎很少發生,因為在低容量的Flash,周邊電路所佔在元件的面積比例較大,NAND不會在成本上有多大優勢。但在512Mb和以上的容量,陣列面積佔用了元件的主要部份,成本優勢就非常顯著。

然而,對於現在越來越多的嵌入式應用,256Mb記憶體已經不敷使用,尤其在汽車系統中最為明顯。從先進駕駛輔助系統(ADAS)到完全自動駕駛,複雜的汽車應用將更需要高容量的記憶體(有些應用容量需求高達2Gb (或256MB)),這對設計者而言,成本的考量變得相對重要許多。

NOR製程微縮技術的瓶頸

製程微縮是半導體降低成本的不二法門,對NOR FALSH而言,在 1986年,最領先的製程是1.5μm。經過二十多年後,製程進步到65nm。然而NAND FLASH 進展更快,如今最先進的 3D NAND 已經可以用1x nm製造。然而,NOR FLASH 製程微縮卻比NAND都要困難得多。英特爾(Intel)在 2008年發佈的一篇論文,已經介紹了45nm 製程。可是截至 2018年,大約十年後的今天,還是只有一兩家製造商可以提供45nm NOR FLASH產品。其他供應商的4x nm技術仍在開發中。這對車用電子系統製造商來說,是一天大的壞消息,由於安全裝備跟自動駕駛的發展,需要容量越來越大的NOR Flash來做程式碼的儲存(code storage),但是成本卻越來越高,因此,如果NAND flash 能夠提供跟NOR Flash 一樣的可靠度品質,以單位成本而言,是一個很好的解決方案。

為了回答這個問題,我們需要瞭解NAND Flash IC 資料遺失的機制。

一般NAND Flash常見的故障模式(failure modes)

在正常使用Flash IC過程中,會有兩種主要狀況容易發生壞點(bit error):

  • 寫入(program)記憶體時產生bit error;
  • 快閃資料保持一段時間後,由於漏電(electron leakage),造成資料移失而產生讀取錯誤。尤其在極端高溫下的操作,更易於發生此種漏電,進而縮短快閃記憶體的資料保持時間。

資料移失而產生讀取錯誤的風險,可以藉由通過ECC(Error Correcting Code)校正來消除。

華邦電子46nm NAND Flash 僅需要1-bit ECC。

電子洩漏(electron leakage)是無法避免的。它的風險可以用可計算的機率來表示,每個位元(cell)在寫入後,裡面的電子都會隨時間及外在環境條件而慢慢遺漏,當這位元中的電荷經過很長時間而減少到無法可靠地讀取,就會失效。

圖1所示,相同製程下,NAND Flash每單元的面積(cell size)是小於NOR Flash。這是這兩種Flash先天的設計,並解釋了為什麼NAND Flash可以提供較低的每單位成本(cost-per-bit)。

20180502_WBD_NT41P1 Fig. 1: comparison of NOR and NAND cell sizes with extrapolation of NOR cell size if NOR technology scaled down to 2xnm. If a 2xnm NOR device could be produced, its cell size would be similar to that of today’s 4xnm serial NAND devices. (Image credit: Winbond) (Appendix: reference 1)

圖2顯示,SPI NOR和 SLC (single-Level Cell) serial NAND 每個位元電子數目的比較,這有助於解釋為什麼 NOR是相對「可靠」的記憶體類型。如圖2,在130nm製程下,每個位元包含4,000電子,保守地假設一個cell一個月會移失1個電子,則十年會遺失120個電子,這對讀取資料而言是沒影響的程度。然而,當製程進步,每個位元越來越小,較小的cell只能保有較少的電荷,這對NOR 跟NAND來說都是一樣的。今天的1x nm 製造的 MLC或著 TLC NAND,這麼小的cell只能保存少量電子,而且很容易會在幾小時或幾天內漏光,因此需要複雜的周期性確認跟重新寫入(scan-and-refresh)來保存資料。然而,對於車用電子,在十年內對資料丟失是零容忍。並且車用電子設計者也不想處理和面對複雜的周期性確認跟重新寫入(scan-and-refresh)的風險。

20180502_WBD_NT41P2 Fig. 2: even down to the 3xnm node,a NAND Flash cell will contain above 500 electrons – the required number for classification as a ‘High Quality’ memory. (Image credit: Winbond) (Appendix: reference 2)

那麼,在需要高可靠性的應用中,「高品質」的Flash每個cell所需的最低電子數是多少?科學文獻和判斷表明,500個電子(per cell) 可以被認為是必要的門檻,因為這樣一個cell仍將保留75% 的儲存電子在10年後 (假設每個月遺失一個電子)。圖2顯示了在46nm 和3xnm 之間的serial NAND都超過了這個值(500顆)。

華邦電子使用46nm製程所開發的高品質SLC serial NAND,是經過嚴格的篩選和測試程序,完全符合車用電子的嚴格要求。如圖3所示,在各種不同溫度的測試條件下,依然保留優異的資料儲存(data retention)性能,可與在65nm製程(及包含以下)NOR Flash相媲美。

20180502_WBD_NT41P3 Fig. 3: shows that data retention time of Winbond’s HQ serial NAND devices is comparable to that of today’s NOR Flash devices fabricated at 65nm and below.

在車用電子應用中,對於高品質serial NAND 的要求是要能夠在85℃高溫下完成100次寫入/擦除(Program/Erase cycles),並保存資料25年。但在汽車實際應用中,多數幾乎不會操作達到100次寫入/擦除以上。測試資料顯示,華邦高品質的serial NAND 能夠在85℃下完成10,000次寫入/擦除(Program/Erase cycles)後,並保存資料超過15年,跟NOR Flash在車用市場上的表現是一樣的,但是每單位成本只有NOR Flash的 一半不到,尤其在高容量512Mb以上,成本優勢更為明顯。

更適用於車用電子

華邦高品質serial NAND的另一項保證是在100次寫入/擦除(Program/Erase)內不會有壞塊 (bad blocks)產生,這意味著無需在SoC或微控制器中使用壞塊管理BBM (bad block management)機制。BBM通常需要使用於傳統的serial NAND。另外,華邦高品質serial NAND還支援快速讀取(page0 is ready at power-up),並且跟NOR Flash使用的讀取指令(command)相同,更易於搭配在已經量產的SoC或應用處理器使用。

對於車用電子系統設計者而言,256Mb以下使用NOR Flash,512Mb(含)以上使用相同腳位(pin out)的華邦高品質serial NAND,可以很順利的轉換。

高成本效益並且無性能損失

NOR Flash在45nm製程以下微縮遇到瓶頸,但是日新月異的車用市場又需要更高容量的儲存記憶體(code storage)來應付愈趨複雜的安全及自動駕駛要求,華邦高品質低成本的serial NAND能夠在512Mb,1Gb和2Gb的容量,為汽車製造商提供了一個新的解決方案,同時又能滿足嚴苛的車用電子規範。

Appendix: image references:

  1. Cell area graph: NOR Flash cell sizes drawn from ‘A 45nm NOR Flash Technology with Self-Aligned Contacts and 0.024μm2 Cell Size for Multi-Level Applications’, Fastow et al., Intel Corporation, IEEE 2008; and ‘ETOX? Flash Memory Technology: Scaling and Integration Challenges’, Fazio et al., Intel Corporation, Intel Technology Journal, 2002. NAND Flash cell sizes calculated as 2F x 2F.

  2. Electron count graph: NOR Flash electron counts drawn from ‘Future Directions and Challenges for EToxFlash Memory Scaling’, Greg Atwood, Intel Corporation, IEEE Transactions On Device and Materials Reliability, 2004, and ‘Advanced Flash Technology Status, Scaling Trends & Implications to Enterprise SSD Technology Enablement’, Yoon and Tressler, IBM Corporation, Flash Memory Summit, 2012. NAND Flash electron counts computed for Vt shift of 4V.