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NOR記憶體朝向高容量、低功耗、小尺寸發展
迎向高速、高整合時代

【作者: 籃貫銘】   2020年06月09日 星期二

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當前最受市場重視的儲存產品,就屬NOR Flash記憶體。這個一度被市場輕視的儲存技術,現在不僅回了春,還翻身變成當紅炸子雞,產業界爭相搶購,成了新冠疫情中,最耀眼的記憶體產品。


事實上,NOR跟NAND就好似親手足的兄弟,因為兩個技術都是由舛岡富士雄博士所研發,NOR還比較早問世(1980年),NAND則是再晚個幾年(1986年),且兩者都是屬於非揮發記憶體的技術,並且是基於「電子抹除式可複寫唯讀記憶體(Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM)」發展而來。


讀取快 嵌入式應用優勢佳

雖然較早被研發出來,但NOR並沒有受到東芝的重視(當時舛岡富士雄任職於東芝),反而是英特爾看出了這項技術的潛力,並在1988年將之商業化量產。


至於NAND雖然較晚問世,但卻享盡了後至者的優勢,不僅製造成本被大幅改良,同時寫入的速度和單位儲存的面積,也有了大幅的提升。而在那個PC市場正要起飛的時代,NAND可說是完全符合裝置對於高速儲存的需要,也因此NAND的市場一發不可收拾。


然而到了5G和物聯網時代之後,這個市場思維開始有了變化,比起寫入速度,讀取變得更加重要。這一切都得從NOR和NAND的本質差異說起。



圖一 : NOR和NAND記憶體架構的差異。(source:Cypress,製圖CTIMES)
圖一 : NOR和NAND記憶體架構的差異。(source:Cypress,製圖CTIMES)

同為非揮發性記憶體,NOR與NAND的差異其實也不大,他們的儲存單元相同,工作原理也類似,但在資料讀取的架構上有一個決定性的差異,也就是源級線(Source Line)和位元線(Bit Line)的設計不同。


在NOR記憶體,每一個記憶體單元(Memory cell)都應對一組字元線(word Line)、源級線和位元線,採用的是並聯的結構,故在讀取的性能上十分卓越,但寫入與抹除的速度就差強人意。不過由於其快速讀取的特性,實現了被稱之為「晶片內執行(eXecute In Place)」的功能,十分適合嵌入式設計。然而,這樣的結構會造成較大的單位面積,因此儲存密度較低,同時生產成本也較高。


至於NAND Flash,則是一組記憶單元對應一個源級線,採用串聯的結構,並非對每個記憶單元的單獨存取,而是類似「整塊」式的處理,因此在寫入和抹除的速度較快,但是讀取上就需經過先行定址,導致速度較慢。而由於採用串聯式結構,因此單位的儲存密度較高,製造的成本也較低。


由於在功能與應用上的不同,NOR後來被稱為「編碼型快閃記憶體」,而NAND則稱之為「儲存型快閃記憶體」,用以作為其市場的區隔。但除了體積和讀寫速度的不同外,不同記憶單元的結構也帶來了在系統設計與耐用性上的差異。


首先在系統I/O設計上,NOR因為使用專門的位址引腳,因此易於與其他的方案進行整合,在系統的設計上較為簡易,同時應用程式也可以直接在其上執行;至於NAND,就要有額外的定址設計(暫存器),才能有效率的進行資料存取,因此設計就較為複雜。


而在可靠性方案,NOR的寫入和讀取都是以獨立記憶單元進行,因此系統在運行上先天就較為可靠和穩定;反之,NAND因為是成塊處理又屬隨機分佈,比較容易出現壞快,而且很仰賴控制器來穩定讀寫,因此系統本質上就比較不穩定,自然可靠度也較低。


重視執行速度 5G、車用、消費性電子紛紛導入

有了這種先天體質的差異,NOR的重要性在近期也因此備受注目,尤其是在5G基地台、汽車電子,以及高性能的工業應用上。這類型的應用十分強調系統的穩定性,同時也著重讀取的速度(程序的反應速度),相當適合採用NOR快閃記憶體解決方案。


不過NOR Flash本身也有規格之分,也就是序列式(Serial)和平行式(Parallel),以及整合SRAM的多晶片封裝(MCP)。目前則以序列式的產品市場比重最高。


所謂的序列式,則是指採用SPI同步傳輸介面的NOR記憶體產品。這類型的產品在I/O的硬體結構設計上較為簡單,同時傳輸的速度也較快,特別是對於嵌入式產品系統來說,使用SPI介面的NOR記憶體在PCB上所需要的導線較少,因此有助於減少PCB的使用空間,進而縮減裝置的體積,這對於物聯網裝置來說,是十分有利的特色。


汽車也是目前另一個NOR記憶體的主要應用之一。在ADAS、車聯網、自駕車等新興的汽車應用推動下,汽車的電子系統需要性能更強大的運算和儲存解決方案,而NOR記憶體基於優異的讀取速度和穩定性,就成了這些新興應用的首選方案。



圖二 : NOR快閃記憶體市場規模。(source:marketintellica,製圖CTIMES)
圖二 : NOR快閃記憶體市場規模。(source:marketintellica,製圖CTIMES)

目前全球正在積極布建的5G基地台,同樣也是看中NOR記憶體的讀取速度和可靠度,在其系統內使用了大容量的NOR記憶體;另外,真立體聲(TWS)無線藍牙耳機也是目前正快速在消費性電子市場快速成長的NOR記憶體應用,所看重的,就是其易整合和訊號穩定快速的特性。


朝向高容量、低功耗和小尺寸發展

目前NOR記憶體的技術發展趨勢,主要朝高容量、低功耗和小尺寸三個方向發展。


在高容量方面,由於自駕車和5G基地台這類高速高頻寬的應用,對於程序運行的速度有較高的要求,同時所處理的數據量也較大,因此需要較高的NOR記憶體容量。以基地台來說,所需要的容量至少是1GB起跳,而目前市場上能供應此容量的業者十分稀少,主要以台灣的旺宏與美國的美光為主。


不過由於結構的限制,NOR記憶體微縮不易,而且市場和成本也難以支持製成再下探,因此目全球最小的NOR製程只到45奈米。旺宏電子也宣布,將不會再研發55奈米以下的NOR記憶體技術。


低功耗是NOR記憶體的另一大發展趨勢,尤其對工業和物聯網等裝置來說,功耗的改進,是直接對產品的電池壽命和整體系統的能源效率進行優化。目前針對功耗敏感的裝置.NOR記憶體已發展出1.2V的低電壓方案,此外,為了適應更多不同系統的設計需求,NOR也推出寬電壓的方案,能支援1.8V~3.6V的系統組合。



圖三 : TWS無線耳機也開始使用NOR記憶體方案,開創了新的消費性。市場(source:iFix)
圖三 : TWS無線耳機也開始使用NOR記憶體方案,開創了新的消費性。市場(source:iFix)

小尺寸,則同樣相應於低功耗的趨勢,對於消費性和物聯網裝置來說,體積也是錙銖必較,越小的晶片體積,對於系統設計越有利,不僅節省PCB的面積,同時也能增加在電池和其他整合設計的空間。以旺宏為例,他們即將推出的8MB NOR記憶體產品,號稱是產業界最小的晶片,體積較前一代縮小了60%。


結語

對於一個完整的系統架構來說,記憶體乃是必要的元件之一,而NOR記憶體具備儲存和快速讀取的特性,自然為其奠下了一個明確的發展基石,尤其是在雲端儲存服務更趨成熟的未來,高容量的資料儲存功能對於裝置來說,將不再是主要的功能,反而是更快的運行速度和更高的可靠度,會是開發者所關注的焦點,而NOR的優勢與需求將會更加明顯,尤其是它還具備相當的成本競爭力,在更好的次世代記憶體方案問世之前,它將會佔據主流的系統記憶體位置。


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