存储器的“另类”创新之路

集微网报道 在5G和AIoT的时代，存储器的竞争正趋向白热化。不断比拼工艺，比拼生产规模似乎是行业的唯一选择。

但是，在全面接触华邦电子的产品和技术之后，你会发现一条别样精彩的存储器产品晋级之路。差异化创新，被华邦电子的产品诠释的淋漓尽致。

物联网设备正面临一个“安全悖论”。其重要性不言而喻，但是用户往往选择忽略，制造商也在为支付额外成本增加安全功能而犹豫不决。这样迫使安全功能的增加在产业链中前移，上游的芯片公司将承担更多的安全责任。

对于华邦电子来说，电子系统中的代码和用户数据大部分情况储存在闪存中，如何增加闪存的安全性，就成为其开发TrustME® 安全闪存产品的出发点之一。“只有硬件安全，才有办法去发展软件的安全，然后才去发展系统的安全，一直到整个网络的安全，所以这是环环相扣的，即所谓的“Chain of Trust”的概念。”华邦电子安全解决方案行销处处长陈宏玮表示。

华邦的存储产品在安全方面会有怎么样的价值。陈宏玮认为有三点：其一，华邦的产品要通过安全认证；其二，灵活性强，可以适应现及未来的设计；第三，具有可扩展性，满足了物联网MCU的flash-less趋势。

安全认证为什么最重要，因为电子产品面临的安全法规监管环境越来越严格，多国和地区都出台了安全法规，不合规的产品将面临罚款的问题，同时也会造成品牌信誉度的下降。华邦推出的W77Q安全存储产品 重于 满足欧盟《网络安全法案》“substantial（坚实）”级别的应用，可以满足CC EAL2认证和IEC62443标准，还有目前GlobalPlatform正在推的SESIP认证。

该产品采用了标准型的SPI Flash管脚兼容的封装设计，可以直接替换普通的标准型的闪存。 华邦让该产品增加了系统韧性防护功能，可以在产品被攻击之后，具备了系统恢复能力。此外，其还具备信任根、加密数据存储和安全线上固件更新功能。

很重要的一点，物联网的设备都会连接在云端。当主芯片受到了攻击之后，华邦的方案可以做到由云端对闪存的固件进行重新设置。

“存储安全已经非常重要，因为从很多的黑客事件里面可以发现，黑客会不断地攻击储存在闪存里面的代码和数据。” 陈宏玮指出华邦的安全闪存扮演了很重要的角色，“系统里面的固件、代码以及用户数据，最主要的就是放在闪存里面，所以我们的产品能够做到跟SoC/MCU进行安全性互补。”

物联网发展至今，设备部件的成本依然是优先考量。 陈宏玮认为，以增加安全性的角度来说，华邦提供的是具备成本效益的解决方案。

有特色的DRAM布局

5G商业化的逐步落地，云计算、IDC业务的拉动以及汽车、IoT领域的需求增长，DRAM将面对更加多元化的市场。

华邦电子对DRAM有很完整的布局，从云端的服务器、边缘计算、5G-CPE（Customer Premise Equipment——客户前置终端设备），到TWS耳机、AR/VR、ADAS等领域，都能提供相应的产品。

GP-Boost DRAM是华邦面向边缘人工智能的产品布局方案，功耗覆盖了0.05-0.4W的范围，带宽则从2.13 GB/s一直做到17.04 GB/s。“GP就是Green Power，代表低功耗的DRAM，再加Boost意味着我们又可以提供高带宽的产品。“华邦DRAM内存产品销企划处部经理曾一峻给出了解释。

布局的开端是32Mb到256Mb ULP HyperRAM™，对应算力为0.3到0.5TOPS，以一般控制器加NPU为主。这是华邦提供的外挂存储解决方案，会用在简单的声音处理或者图像识别中。

算力达到0.5～1个TOPS，CPU是Arm Cortex-Ax，NPU是N37者是客户自己研发，对应的DRAM是512Mb/1Gb LP2。应用场景是智能门锁、智能家居或人脸识别。

算力达到1.0～4个TOPS，应用场景是实时（real time）图像识别、图形侦测，对应的是1Gb LP3。这部分正在热起来，华邦的产品已经导入了很多家的设计阶段（design-in）。

如果算力再增加，应用场景是智能摄像头或边缘计算，就要用到华邦的LPDDR4低容量。在一些AI加速芯片的设计中，华邦正在与客户紧密合作。

“华邦整个GP-Boost的DRAM布局，在中低容量是相对完整的，客户如果需要一站式采购，这是一个很好的DRAM解决方案。“曾一峻总结道。

同时，华邦的1Gb LPDDR3除了人工智能以外，也开始陆续导入一些高清面板的设计方案。曾一峻表示，8K的设计以前可能要4颗1Gb DDR3，甚至6颗-8颗，可是如果换华邦的GP-Boost 的存储，就会只需要2颗或3颗1Gb LPDDR3。

曾一峻告诉记者：“1Gb LPDDR3这个设计案例，已经超过十几个，仍陆续在增加，可以代表这个产品在市场上的客户接受度是非常高的。”

HyperRAM™这条产品也被华邦寄予厚望，32/64/128Mb系列都已实现量产，到年底还会有256Mb，为全系列的容量之最。

HyperRAM™的特点就是低功耗，以64Mb为例，在1.8V电压下，待机功耗可以达到45 mW。“低功耗、低容量，又易于设计，信号管脚只有8个，总的管脚只有13个。”曾一峻表示，HyperRAM™是个非常好用的产品。

据了解，HyperRAM™在电动自行车，穿戴式手表，TWS耳机等应用中已经获得了热烈的反响。

用速度来证明

NAND从并口慢慢转成串口的趋势是必然的，原因是串口相较于并口的话，它的脚数比较少，封装的面积也比较小。“为了要控制数据输出，控制信号，传统的并口NAND会有很多管脚，一般会有15或23条线，如果转成串口的话，其实总共只有6线而已。因此，串口式闪存可节约电子产品在未接电源时存储代码的空间和成本”华邦电子闪存产品企划经理黄信伟介绍了串口NAND的优势。

华邦推出了全世界第一颗八位元串口NAND-OctalNAND Flash，其引脚与市面上现存的QSPI Flash引脚完全兼容，不需要任何系统的改变。

OctalNAND在数据读取上有巨大的优势，源自其做初始化之后就能够用八位元高速地传输大量数据到DRAM中运行。在传输速率上做个比较，普通的串口NAND大概是每秒20至30MB，这颗OctalNAND可以到达每秒240MB，是目前世界上最快的串口的NAND闪存。

当前在系统上经常会使用一颗小容量NOR Flash搭配eMMC，以获取读取速度。但黄信伟认为，OctaINAND在某些情况之下并不会比eMMC慢。他举例说，在每次读取的一些区块小于18KB以下的情况下，OctaINAND甚至快于eMMC。

据黄信伟介绍，OctaINAND采用华邦自有的成熟制程，所以并不会发生一些先进制程需要的一些纠错动作，会让整个系统的设计更简单。

“另一个方面，它的成本非常有优势，与相同容量的NOR相比，NAND会比NOR少50%的成本，这个只是单单就芯片本身的成本。那你如果再考虑整个系统的成本来说，还会更加有优势。”黄信伟指出。

他还特别补充道：“传统上来说，NAND的读取速度是没有办法跟上NOR的，而华邦开发八位元的OctaINAND，就是为了要解决读取速度这个问题。解决了读取速度之后，再加上成本优势，相信OctaINAND非常有机会在车用市场上发光发热。”

结语

“ 在3-5年之内，跟随着5G持续蓬勃发展，物联网所需要的闪存，并不一定是高容量的。”曾一峻认为这就是华邦的机会所在，“华邦可以对这样的要求去提供一些完整的配套的措施，从NAND Flash到低容量的HyperRAM™，以及未来物联网在安全存储方面的一些需求等，我们都有相应的解决方案。”

“创新是一个领导者和追随者最大的区别。”乔布斯曾这样说过。对于华邦来说，倾听市场的动向，开发出自己独有的技术，避免跟风式开发标准化产品，这是其能一直保持创新力的秘诀所在，也是存储器在IoT时代全面进化的必要条件。 （校对/Andrew）

SLC NAND“华丽转身”机遇在哪？

在日本福岛外海发生7.3 级强震之后，日本半导体厂商因为中断生产期间所造成的产品减少供应，其已对当前 NAND Flash市场供应吃紧造成了影响，这将使得NAND Flash的报价可能较之前进一步的提高。

NAND Flash的缺货涨价是当前半导体产业的缩影。近年来，存储芯片一直都是集成电路市场份额占比较大的类别产品，2018年存储芯片占全球集成电路市场规模的比例高达40.21%，成为全球集成电路市场销售份额占比最高的分支。

在当前全球芯片缺货涨价背景下，NAND Flash行业现状如何？随着消费端对大容量3D NAND的需求增大，SLC NAND的市场份额会被进一步挤压甚至替代吗？国内厂商如何在国际大厂策略调整下助力SLC NAND完成“华丽转身”？

底层设计差异

1989年，东芝推出了NAND Flash架构，从此开启了存储领域的新篇章。

作为非易失性存储芯片，NAND Flash具有存储容量大、写入/擦除速度快等特点，非常适合存储信息，一经问世，就广泛地应用于通讯设备、消费电子、汽车电子等领域。NAND Flash 闪存从产品设计上可以分为以下几类，分别为平面的SLC NAND、MLC NAND、TLC NAND、QLC NAND和立体的3D NAND。

如上图所示，SLC（Single-Level Cell, SLC ）NAND和NOR FLASH的区别如下。

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。一方面，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。

另一方面，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。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

最初问世时的SLC NAND设计架构，每个Cell单元存储1bit信息，也就是只有0、1两种电压变化，结构简单，电压控制快速，反映出来的特点就是寿命长，性能强，擦写寿命可达10万次。MLC、TLC和QLC每个单元存储的信息依次递增，电压变化随存储信息增加呈指数级增长，但相应的P/E寿命随之减少。

不管是SLC NAND还是其他三种NAND，它们都存在“闪存的缩放限制”。而为了打破“闪存的缩放限制”枷锁，提供高容量、低成本的NAND Flash，不少企业研发解决了多种方案，其中就包括3D NAND。平面NAND是由有存储单元的水平串组成，而在3D NAND中，存储单元串被拉伸，折叠并以U形结构垂直竖立，单元以垂直方式堆叠来缩放密度。3D NAND存储单元类似一个微小的圆柱状结构，微小单元由中间的垂直通道组成，中间是结构内部的电荷层，通过施加电压，电子被带入绝缘电荷存储膜中和从中取出，信号就被读取。

以三星为例，由浮动栅结构 (Floating Gate) 迁移至电荷撷取闪存（ 2D CTF），将 2D CTF存储单元 3D 化变成3D CTF存储单元，最后通过工艺技术提升逐渐往上增加存储单元的层数，把存储单元像盖大楼一样越堆越高。

SLC NAND和3D NAND，谁强谁弱？

“SLC NAND和3D NAND不同的底层结构设计决定了产品性能上的差异。”存储行业资深人士指出，“SLC NAND在38nm工艺上可以做到10万次的擦除，3D NAND由于结构的原因，它不可能做到SLC NAND这样高可靠性的擦除。”

SLC NAND产品的底层设计决定了它比其他NAND的可靠性高、使用寿命长，是新一代汽车、工业及物联网等应用的理想选择，可为那些工作在恶劣环境、温差大，又需要长期稳定可靠运行的应用提供了理想的解决方案。

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。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，SLC NAND闪存可以提供10年的典型数据保留。

据悉，串口SPI NAND为过去使用NOR Flash（SPI）需要可靠性要求高、小封装，又难以接受大容量NOR的高成本应用提供了完美的代码及数据存储的解决方案；而并口的SLC NAND产品则适用于需要更高带宽的应用。

不过，SLC NAND的“缺点”也明显——容量小。“在容量方面，显而易见，全世界做得最大的SLC NAND的容量最高能做到16Gb；而3D NAND的起步容量就可达512Gb。”业内人士向集微网指出。

3D NAND是从立体空间上解决容量的方案，采用类似于建楼的方式层层堆叠。但堆叠的层数越多，其稳定性挑战越大。目前，三星、SK海力士等大厂都在投入巨大的资金解决这个技术难题。

概而言之，两类NAND各有千秋，SLC NAND胜在产品可靠性，而3D NAND在容量方面更具优势。

新形势下，SLC NAND“华丽转身”机遇在哪？

产品性能上的差异，也直接决定了他们市场应用的不同。“SLC NAND主要针对基站、PON,路由器等通讯设备，监控安防领域，近年来低功耗的SPI NAND也开始进入了以智能手环为代表的穿戴式设备市场。而3D NAND则主打以智能手机和平板电脑的e.MMC，UFS的嵌入式产品，固态硬盘SSD以及USB Disk等大容量存储市场。”行业人士指出，“虽然SLC市场份额不大，但也因为性能差异决定了它们的市场定位，所以3D NAND和SLC NAND之间是不可能取代彼此的位置。 ”

SLC NAND除了在嵌入式市场的广泛采用，近期也随着4G功能手机的热销而进入了功能手机的BOM中，继续发挥着存储资料信息的作用。另外，随着全世界5G基站的建设热潮，在5G CPE的产品中也出现了SLC NAND的身影。

此外，汽车电子成为中小容量SLC NAND重要驱动力量。随着消费者对驾驶安全性、舒适性的需求不断提升，以及相关政策的推动，汽车智能化正迎来快速发展时期。

在汽车系统中，从先进驾驶辅助系统到完全自动驾驶，复杂的汽车应用将更需要高容量的闪存，这对设计者而言，成本的考虑变得相对重要许多。NAND Flash相比NOR Flash单位成本来说具有优势，能够为较大容量车规级闪存提供良好的解决方案，这也将是SLC NAND的“用武之地”。Gartner预计至2024年，全球ADAS领域的NAND Flash存储消费将达41.5亿GB，2019-2024年复合增速将达79.8%。

从全球NAND厂商来看，2019 年全球 NAND Flash 市场中，三星电子、铠侠、美光科技和海力士等厂商，均在 NAND Flash市场占据了很大的市场份额。国外厂商凭借先发优势以及在终端市场建立了优势。

不过，目前海外大厂正在全力扩建3D NAND产能，在SLC NAND的供给策略已有所变化，因此这也给SLC NAND的国内厂商腾出了发展空间。

业内人士指出，“海外供应商在NAND FLASH的领先优势主要还是集中于3D NAND，3D NAND的应用市场主要是智能手机内的存储，固态硬盘等。虽然海外供应商在SLC NAND的产品上有着先发优势，但这些优势随着SLC NAND市场的固化和国内厂商研发的投入，也正在逐步地消失。”

SLC NAND对于三星、美光这些供应商来说，其实是一个非常小的细分市场，但是对国内厂商来说，SLC NAND的全球市场足够大，并且SLC NAND也是进入MLC NAND、TLC NAND甚至3D NAND的必经之路。

按照SLC NAND占全球5%的NAND FLASH市场份额来计算的话，SLC NAND一年也有近30亿美金的TAM。台湾的存储器供应商如旺宏、华邦也在积极地扩展SLC NAND的产品和应用领域。

国内的厂商的优势还是在于本土化。“相对于海外竞争对手来说，一方面，我们更加贴近本土市场，能够快速响应客户需求，予以充分的服务支持，可以稳步占据供应链的关键位置；另一方面，中国企业与本土电子产品制造企业在企业文化、市场理念等方面相互认同，业务合作通畅、高效，形成了密切且相互依存的产业生态链。”上述业内人士表示。

据了解，国内厂商在SLC NAND的布局上，目前还都是Fabless模式，产品制程也从38nm进入24nm，最近也开始了1xnm产品的先期研发。除了在产能上需要Foundry的支持外，国内厂商也开始进入高可靠性的SLC NAND领域，包括车规市场、工业领域等。

随着5G通讯及安防监控领域的持续增长以及汽车电子等新兴领域的兴起和发展，中小容量存储市场未来具有较大增长空间。随着国内设计技术的创新和工艺节点的提升，SLC NAND市场有望在国内厂商助推下实现“华丽转身”。

（校对/范蓉）

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