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ato nand flash 为何NAND Flash可成为车用电子可信赖的低成本解决放方案

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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为何NAND Flash可成为车用电子可信赖的低成本解决放方案

一般分别而言, 有两种非挥发性闪存(non-volatile Flash)可供系统设计者在存储需要上选择使用。

一种是NOR Flash, 这是一种稳定可靠的内存, 可以长时间读写并保存资料。但是它能够适合生产的容量相对较低, 一般在256Mb 以下, 并且单位成本相对较高。

另一种是NAND Flash, 虽然较容易出现坏点(bit error), 但它单位成本相对低廉, 适合在需要高容量内存需求的应用上(data storage) (-截至 2018年2月, 先进制程的3D NAND, 可以生产容量高达 6Tb, 并且每单位成本非常低廉。)

这为设计者在选择闪存类型上提供了一个简单、现成的经验法则:

●编码型存储(Code storage), 需要可靠的性能和长时间的数据保留, 并且需要常常读写 -> 选NOR Flash.

●数据存储(data storage), 需要高容量低成本, 而且可以容忍坏点 (bit error) -> 选NAND Flash.

这是总结了业界的一般假设及广泛的观点, 既是事实, 但也只是部分的事实。实际上, 随着制程技术在NOR和 NAND的演进, 两者的优势和缺点也在改变当中。在某些情况下, NAND Flash 也用在 code storage上, 不但提供相似于 NOR Flash 一样的稳定可靠性能, 并且单位成本只要不到一半。

本文要描述的就是NOR Flash在一些code storage应用环境上, 并不是唯一选择。

为什么现在选择Flash种类在个别应用上是更加重要

对于许多嵌入式应用 (embedded applications)来说, 使用串行式传输接口(SPI interface) 的NAND 来取代 NOR, 并不会有太多问题。但是在容量在256Mb以下, 几乎很少发生, 因为在低容量的Flash, 周边电路所占在组件的面积比例较大, NAND不会在成本上有多大优势。但在512Mb 和以上的容量, array面积占用了组件的主要部份, 成本优势就非常显著。然而, 对于现在越来越多的嵌入式应用, 256Mb 内存已经不敷使用, 尤其在汽车系统中最为明显。从先进驾驶辅助系统 (ADAS) 到完全自动驾驶, 复杂的汽车应用将更需要高容量的内存(有些应用容量需求高达 2Gb (或 256MB)), 这对设计者而言, 成本的考虑变得相对重要许多。

NOR 制程微缩技术的瓶颈

制程微缩是半导体降低成本的不二法门, 对NOR FALSH而言, 在 1986年, 最领先的制程是1.5µm。经过二十多年后, 制程进步到65nm。然而NAND FLASH 进展更快, 如今最先进的 3D NAND 已经可以用 1x nm制造。然而, NOR FLASH 制程微缩却比NAND都要困难得多。英特尔在 2008年发布的一篇论文, 已经介绍了45nm 制程。可是截至 2018年, 大约十年后的今天, 还是只有一两个制造商可以提供45nm NOR FLASH产品。其他供货商的4x nm技术仍在开发中。这对车用电子系统制造商来说, 是一天大的坏消息, 由于安全装备跟自动驾驶的发展, 需要容量越来越大的NOR Flash来做程序代码的存储(code storage), 但是成本却越来越高, 因此, 如果NAND flash 能够提供跟NOR Flash 一样的可靠度质量, 以单位成本而言, 是一个很好的解决方案。

为了回答这个问题, 我们需要了解NAND Flash IC 数据遗失的机制。

一般NAND Flash常见的故障模式(failure modes)

在正常使用Flash IC过程中, 会有两种主要状况容易发生坏点 (bit error):

●写入 (program) 内存时产生bit error.

●快闪数据保持一段时间后, 由于漏电 (electron leakage), 造成数据移失而产生读取错误。尤其在极端高温下的操作, 更易于发生此种electron leakage, 进而缩短闪存的数据保持时间。

资料移失而产生读取错误的风险, 可以藉由通过ECC(Error Correcting Code )校正来消除。

华邦电子46nm 的NAND Flash 仅需要1 bit ECC。

电子泄漏(electron leakage),是无法避免的。它的风险可以用可计算的机率来表示, 每个位(cell)在写入后, 里面的电子都会随时间及外在环境条件而慢慢遗漏, 当这位中的电荷经过很长时间而减少到无法可靠地读取, 就会失效。

图1所示, 相同制程下, NAND Flash每单元的面积(cell size)是小于NOR Flash. 这是这两种Flash先天的设计, 并解释了为什么NAND Flash可以提供了较低的每单位成本(cost-per-bit)。

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)

图2显示, SPI NOR和 SLC(single-Level Cell) serial NAND 每个位电子数目的比较, 这有助于解释为什么 NOR是相对"可靠" 的内存类型。如图2, 在130nm制程下, 每个位包含4000电子, 保守地假设一个cell一个月会移失1个电子, 则十年会遗失120个电子, 这对读取数据而言是没影响的程度。然而, 当制程进步, 每个位越来越小, 较小的cell只能保有较少的电荷, 这对NOR 跟NAND来说都是一样的。今天的1x nm 制造的 MLC或着 TLC NAND, 这么小的cell只能保存少量电子, 而且很容易会在几小时或几天内漏光, 因此需要复杂的周期性确认跟重新写入(scan-and-refresh)来保存数据。然而, 对于车用电子, 在十年内对数据丢失是零容忍。并且车用电子设计者也不想处理和面对复杂的周期性确认跟重新写入(scan-and-refresh)的风险。

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)

那么, 在需要高可靠性的应用中, "高质量" 的Flash每个cell所需的最低电子数是多少？科学文献和判断表明, 500个电子(per cell) 可以被认为是必要的门坎, 因为这样一个cell仍将保留75% 的存储电子在10年后 (假设每个月遗失一个电子)。图2显示了在46nm 和3xnm 之间的serial NAND都超过了这个值(500颗)。

华邦电子使用46nm制程所开发的高质量SLC serial NAND, 是经过严格的筛选和测试程序, 完全符合车用电子的严格要求。如图3所示, 在各种不同温度的测试条件下, 依然保留优异的数据存储(data retention)性能, 可与在65nm制程(及包含以下)NOR Flash相媲美。

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.

在车用电子应用中, 对于高质量serial NAND 的要求是要能够在85°C 高温下完成100次写入/擦除 (Program/Erase cycles) , 并保存资料25年。但在汽车实际应用中, 多数几乎不会操作达到100次写入/擦除以上。测试数据显示, 华邦高质量的serial NAND 能够在85°C下完成10,000次写入/擦除 (Program/Erase cycles)后, 并保存资料超过15年, 跟NOR Flash在车用市场上的表现是一样的, 但是每单位成本只有NOR Flash 的一半不到, 尤其在高容量512Mb以上, 成本优势更为明显。

更适用于车用电子

华邦高质量serial NAND 的另一项保证是在100次写入/擦除 (Program/Erase) 内不会有坏块 (bad blocks) 产生, 这意味着无需在 SoC 或微控制器中使用坏块管理 BBM (bad block management)机制。BBM 通常需要使用于传统的serial NAND。另外, 华邦高质量serial NAND 还支持快速读取(page0 is ready at power-up), 并且跟NOR Flash使用的读取指令(command)相同, 更易于搭配在已经量产的SoC或应用处理器使用。

对于车用电子系统设计者而言, 256Mb 以下使用NOR Flash, 512Mb(含)以上使用相同脚位(pin out)的华邦高质量serial NAND, 可以很顺利的转换。

高成本效益并且无性能损失

NOR Flash 在45nm制程以下微缩遇到瓶颈, 但是日新月异的车用市场又需要更高容量的存储内存(code storage)来应付愈趋复杂的安全及自动驾驶要求, 华邦高质量低成本的serial NAND 能够在 512Mb, 1Gb 和2Gb 的容量, 为汽车制造商提供了一个新的解决方案, 同时又能满足严苛的车用电子规范。

Appendix: image references:

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.

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.

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NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

来源：内容由微信公众号半导体行业观察（ID：icbank）翻译自「embedded」，作者 Avinash Aravindan，谢谢。

嵌入式系统设计人员在选择闪存时必须考虑许多因素：使用哪种类型的Flash架构，是选择串行接口还是并行接口，是否需要校验码（ECC）等。如果处理器或控制器仅支持一种类型的接口，则会限制选项，因此可以轻松选择内存。但是，情况往往并非如此。例如，一些FPGA支持串行NOR闪存、并行NOR闪存和NAND闪存来存储配置数据，同样，它们也可以用来存储用户数据，这使得选择正确的存储器件更加困难。本文将讨论闪存的不同方面，重点放在NOR闪存和NAND闪存的差异方面。

存储架构

闪存将信息存储在由浮栅晶体管制成的存储单元中。这些技术的名称解释了存储器单元的组织方式。在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门（参见图1）。

NOR Flash（左）具有类似NOR门的架构。NAND Flash（右）类似于NAN

NOR Flash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势，这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100％已知的零件寿命。缺点包括较大的单元尺寸导致每比特的较高成本和较慢的写入和擦除速度。

相比之下，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。缺点包括较慢的读取速度和I / O映射类型或间接接口，这更复杂并且不允许随机访问。值得注意的是，NAND Flash中的代码执行是通过将内容映射到RAM来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。另一个主要缺点是存在坏块。NAND闪存通常在部件的整个生命周期内出现额外的位故障时具有98％的良好位，因此，器件内需要ECC功能。

存储容量

与NOR闪存相比，NAND闪存的密度要高得多，主要是因为其每比特成本较低。NAND闪存通常具有1Gb至16Gb的容量。NOR闪存的密度范围从64Mb到2Gb。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

擦除/读写

在NOR和NAND闪存中，存储器被组织成擦除块。该架构有助于在保持性能的同时保持较低的成本，例如，较小的块尺寸可以实现更快的擦除周期。然而，较小块的缺点是芯片面积和存储器成本增加。由于每比特成本较低，与NOR闪存相比，NAND闪存可以更经济高效地支持更小的擦除块。目前，NAND闪存的典型块大小为8KB至32KB，NOR Flash为64KB至256KB。

NAND闪存中的擦除操作非常简单，而在NOR闪存中，每个字节在擦除之前都需要写入“0”。这使得NOR闪存的擦除操作比NAND闪存慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要3.5ms才能擦除128KB块，而NOR闪存S70GL02GT则需要约520ms来擦除类似的128KB扇区。这相差近150倍。

如前所述，NOR闪存具有足够的地址和数据线来映射整个存储区域，类似于SRAM的工作方式。例如，具有16位数据总线的2Gbit（256MB）NOR闪存将具有27条地址线，可以对任何存储器位置进行随机读取访问。在NAND闪存中，使用多路复用地址和数据总线访问存储器。典型的NAND闪存使用8位或16位多路复用地址/数据总线以及其他信号，如芯片使能，写使能，读使能，地址锁存使能，命令锁存使能和就绪/忙碌。NAND Flash需要提供命令（读，写或擦除），然后是地址和数据。这些额外的操作使NAND闪存的随机读取速度慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要30μS，而NOR闪存S70GL02GT需要120nS。因此，NOR比NAND快250倍。

为了克服或减少较慢读取速度的限制，通常以NAND闪存中的页方式读取数据，每个页是擦除块的较小子部分。仅在每个读取周期开始时使用地址和命令周期顺序读取一页的内容。NAND闪存的顺序访问持续时间通常低于NOR闪存设备中的随机访问持续时间。利用NOR Flash的随机访问架构，需要在每个读取周期切换地址线，从而累积随机访问以进行顺序读取。随着要读取的数据块的大小增加，NOR闪存中的累积延迟变得大于NAND闪存。因此，NAND Flash顺序读取可以更快。但是，由于NAND Flash的初始读取访问持续时间要长得多，两者的性能差异只有在传输大数据块时才是明显的，通常大小要超过1 KB。

在两种Flash技术中，只有在块为空时才能将数据写入块。NOR Flash的慢速擦除操作使写操作更慢。在NAND Flash中，类似于读取，数据通常以页形式编写或编程（通常为2KB）。例如，单独使用NAND闪存S34ML04G2 写入页面需要300μS。

为了加快写入操作，现代NOR Flashes还采用类似于页面写入的缓冲区编程。例如，前文所述的NOR闪存S70GL02GT，支持缓冲器编程，这使其能够实现与单词相似写入超时多字节编程。例如，512字节数据的缓冲区编程可以实现1.14MBps的吞吐量。

能耗

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是，NOR Flash的待机电流远低于NAND Flash。两个闪存的瞬时有功功率相当。因此，有效功率由存储器活动的持续时间决定。NOR Flash在随机读取方面具有优势，而NAND Flash在擦除，写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

可靠性

保存数据的可靠性是任何存储设备的重要性能指标。闪存会遭遇称为位翻转的现象，其中一些位可以被反转。这种现象在NAND闪存中比在NOR闪存中更常见。出于产量考虑，NAND闪存随附着散布的坏块，随着擦除和编程周期在NAND闪存的整个生命周期中持续，更多的存储器单元变坏。因此，坏块处理是NAND闪存的强制性功能。另一方面，NOR闪存带有零坏块，在存储器的使用寿命期间具有非常低的坏块累积。因此，当涉及存储数据的可靠性时，NOR Flash具有优于NAND Flash的优势。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，NOR Flash再次占据优势，例如，NOR Flash闪存S70GL02GT提供20年的数据保留，最高可达1K编程/擦除周期，NAND闪存S34ML04G2提供10年的典型数据保留。

编程和擦除周期的数量曾是一个需要考虑的重要特性。这是因为与NOR闪存相比，NAND闪存用于提供10倍更好的编程和擦除周期。随着技术进步，这已不再适用，因为这两种存储器在这方面的性能已经很接近。例如，S70GL02GT NOR和S34ML04G2 NAND都支持100,000个编程 - 擦除周期。但是，由于NAND闪存中使用的块尺寸较小，因此每次操作都会擦除较小的区域。与NOR Flash相比，其整体寿命更长。

表1提供了本文中讨论的主要内容摘要。

NOR闪存和NAND闪存的主要特性与一般和具体比较数据的比较。

通常，NOR闪存是需要较低容量、快速随机读取访问和更高数据可靠性的应用的理想选择，例如代码执行所需。NAND闪存则非常适用于需要更高内存容量和更快写入和擦除操作的数据存储等应用。

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