nand会被淘汰吗 NOR Flash市场回暖，本土厂商迎来新突破

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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NOR Flash市场回暖，本土厂商迎来新突破

半导体存储芯片主要分为非易失性存储IC和易失性存储IC，其最主流的非易失性存储IC为闪存IC，又可以分为NOR Flash和NAND Flash。与NAND Flash相比，NOR Flash容量密度小、写入速度慢、擦除速度慢、价格高，但是NOR Flash由于其地址线和数据线分开的特性，不必再把代码读到系统RAM中，应用程序可以直接在NOR上运行，且NOR Flash还具备更快的读取速度、更强的可靠性和更长的使用寿命，这些特性的存在也注定了NOR Flash难以被市场淘汰。

NAND Flash、NOR Flash性能对比（图源：驭势资本）NOR Flash是除DRAM和NAND Flash之外最大规模的利基型存储，根据CINNO Research，2020年的NOR Flash的总销售额为25亿美元，而这一规模在2006年已超过70亿美元。该市场曾随着功能手机的消亡而逐步萎缩，目前凭借着其“芯片内执行”的特点在物联网、AI、TWS耳机、5G、AMOLED、智能汽车等领域广泛应用，市场规模逐步恢复，再次受到厂商的重视。

国内存储领域新突破

在上述背景下，2021年8月22日，中天弘宇在上海召开“自主原创先进存储技术”暨90nm BCD工艺平台上的MTP IP产品的发布会。中天弘宇专注于集成电路存储芯片领域，以自有知识产权专利发明为契机，实现国内存储领域零的突破。据介绍，中天弘宇运用国际首创、国内自主原创的“二次电子倍增注入浮栅”的物理原理，在不改变原材料构成、工艺实现的条件下，对标传统的闪存系列产品，用自主原创的发明成果构造了全新的存储器底层技术体系，形成新型高性能存储器系列产品，属于颠覆性的先进存储技术。

中天弘宇董事长张佳中天弘宇董事长张佳表示，“二次电子倍增注入浮栅”技术。这是继“隧穿技术”、“热电子注入技术”后，世界范围内第三个0和1的形成方式。

中天弘宇副总裁、CTO聂虹“中天弘宇创造性地对闪存存储进行了重构，突破了20多年来阻碍闪存存储技术缩微扩容发展的瓶颈，使得其在同样的工艺条件下，可以做到大容量、小面积、低功耗，且有效的解决大规模数据存储、运行一体化的世界性难题，为人工智能、新型FPGA等发展，提供可靠、高效的存储技术解决方案。” 中天弘宇副总裁、CTO聂虹介绍道。

闪存存储的存储单元和器件结构创新（图源：中天弘宇PPT）中天弘宇“二次电子倍增注入浮栅”技术是一项前所未有的创新实践，中天弘宇充分运用“二次电子倍增注入浮栅” 的物理现象，并利用其进行了创新结构设计，用全新的PGM机理和折叠栅的器件结构设计，研发了全新的NVM（Non-Volatile Memory，非易失性存储器）器件。同时，以该NVM器件为基础，根据客户需求推出了首款90nm BCD工艺平台上的MTP IP，先进存储技术在90nm技术节点流片成功是一个重要的里程碑，这次产品成功的同时也表明“二次电子倍增注入浮栅”原理可以实现存储器产品化。中天弘宇本次推出的 90nm BCD 工艺平台上的MTP具有以下突出的优势：面积小：比对市场同类MTP，面积缩减三分之一左右；功耗低：比对市场同类MTP，功耗减少50%左右；速度快：在读取速度、写入速度和擦除速度上，有显著的速度优势；工作电压低；编程电流小；兼容传统的CMOS工艺平台。

中天弘宇的布局与展望

当前，中天弘宇初步构建了拥有国内、国际完整自主知识产权专利的系列新型高性能快闪存储器产品，“在非易失存储领域属国际首创技术”。该项发明成果已在中、日、美、韩和中国台湾地区申请了成体系的原创性发明专利，其中多项核心专利已获批，专利体系化建设在不断完善之中。下游市场对NOR Flash需求持续提升，NOR Flash迎来新春。对此，聂虹在发布会上特意提到，中天弘宇将以电源管理芯片（PMIC）作为新技术的市场切入点，相关产品已经在某头部代工厂90nmBCD工艺平台上的流片验证成功。电源管理芯片是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责的芯片。主要负责识别CPU供电幅值，产生相应的短矩波，推动后级电路进行功率输出。根据前瞻产业研究院的统计和预测，全球电源管理芯片市场规模2018年为250亿美元，预计到2026年全球市场规模将达到565亿美元，2018-2026期间年复合增长率(CAGR)为10.69%，其中以中国大陆为主的亚太地区是未来最大增长区域市场。

应用市场的旺盛需求充分说明中天弘宇的先进存储技术的推广运用有广阔的市场前景。张佳表示，中天弘宇的第一代55nm独立式闪存即将下线投入量产，意味着中天弘宇踏入一个40亿美元的产品市场。同时，重大创新的第二代产品研发已经开始，将会带来一款更高性能、更低功耗、更大容量的存储器产品，面对的市场将超过100亿美元。对于公司商业模式和下一步发展路径，聂虹介绍，未来，中天弘宇的商业模式包括但不限于嵌入式IP授权、独立闪存销售、方案商合作、产学研合作及与行业应用成立合资公司等。产品布局方面，中天弘宇完整地规划了嵌入式、独立式到完整应用领域的系列产品，将按规划、分步骤地进行产业化应用。例如：嵌入式闪存（eFlash）是充分运用“二次电子倍增注入浮栅“的原理，加上独特的折叠栅结构，在完全具备现有eFlash的特性的同时，具有更小的面积、更低的功耗等突出优势。

嵌入式闪存进展（图源：中天弘宇PPT）独立式闪存产品是基于中天弘宇的独创原理设计的，完全具有现有NOR Flash功能的存储器，且具有低功耗和大容量优势。在现有工艺技术条件下量产，产品具有功耗低、面积小的优势。

独立式闪存进展（图源：中天弘宇PPT）可以看到，自主原创、性能优异的体系化存储器产品会不断呈现出来，中天弘宇将进一步积聚集成电路全行业工程技术专家的智慧，争取应用和市场持续不断的支持，开拓存储技术的运用范围，扩大存储器系列，为国家创造更多自主原创技术和产品。

现场圆桌会议在发布会最后，现场还邀请到了新思科技中国董事长兼全球资深副总裁葛群、国际半导体产业协会中国区总裁居龙、南芯半导体市场总监刘崇和资深工艺专家官浩等行业专家，共同研讨了国内先进存储技术和产业化进展状况，围绕产业链融合、工艺实现、市场推广、融资策略等话题进行了讨论分享，共探中国半导体产业发展新出路。

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。

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杂谈闪存二：NOR和NAND Flash

三星终于从爆炸门中走了出来，受到来自DRAM 与NAND 价格上涨带动，三星把Intel从盘踞了14年的半导体王座上赶了下来，风光可谓一时无两。虽然下半年市况预料将会修正，但今年整体DRAM 仍可较去年成长39%，NAND 则成长25%，而这两项恰恰曾经帮助过Intel走向巅峰，真是成也萧何，败也萧何啊。说起NAND Flash，他和他的哥哥NOR Flash可谓是20世纪最重要的发明之一，他的诞生和发展很是曲折，生于日本，长于美国，如今却在韩国大放异彩。今天的历史故事要从他的发明人桀冈富士雄（Fujio Masuoka）和他的狗血东家说起。

历史

Intel很早就发明了EPROM，这是一种可以用紫外线擦除的存储器。相较于ROM，它的内容可以更新而且可以保持10～20年，老式电脑的BIOS都存储于此。

（Intel 1702）

它的顶部必须被覆盖住，以防被阳光里的紫外线擦除。后来Intel在其基础上于1978年发明了电可擦除的升级版叫做EEPROM。不需要阳光的帮忙，方便多了，可是读取和擦除速度却非常缓慢。

这时我们的主人公富士雄出场了，他于1971年加入了东芝公司。受到了EEPROM的启发，他开始利用自己夜晚和周末的时间钻研一种能快速擦除的EERPOM。他在1980年取得突破，申请了一个叫做simultaneously erasable EEPROM的专利。然而，日本大公司的论资排辈却让这项划时代的发明石沉大海，直到4年之后。

“我终于被提拔了，可以不要批准就去工厂，让工人们帮忙做出样品了”，富士雄说。当他拿着他的样品参加当年的IEEE大会的时候，NOR Flash引起了轰动，以至于当他回到日本后，他的老板总是被Intel打来的要样品电话骚扰。他被奖励了几个人手帮忙，而这些人却是part-time的。而在大洋的另一边，Intel在收到样品后，立刻派出300多个工程师全力研发自己的版本。由于新发明的这种EEPROM擦除速度飞快，富士雄的同事建议他把这种技术取名Flash，暗合相机的闪光灯飞快闪烁之意。

东芝公司并没有把NOR flash技术当作宝贝，只是不想要别人插手而已。所以不停的起诉任何希望染指的公司，如TI公司。而富士雄却并没有停止他的追求，在1986年发明了NAND Flash，大大降低了制造成本。由于他的贡献，东芝奖励了他一笔几百美金的奖金和一个位置很高却悠闲的职位。做为一个工程师，他忍受不了这种待遇，不得不辞职进入大学继续科研。

东芝公司的短视很快招来了市场的惩罚。Flash市场迅速扩张，在90年代末期就达到数百亿美金的市场规模，Intel是这个市场的霸主，而东芝公司只享有很小的份额（NAND，NOR几乎没有）。在很长一段时间，东芝公司甚至不承认NOR flash是他发明的，说是Intel发明的。直到IEEE在1997年颁给富士雄特殊贡献奖后才改口。

富士雄觉得自己的贡献被东芝公司抹杀了，他愤然于2006年起诉了公司，并索要10亿日元的补偿。最后他和东芝公司达成和解，得到8700万日元（合758,000美元）。富士雄没有依旧停止自己的脚步，在获得进200个专利后，他还在向着下一个big thing进发。

无疑富士雄是个英雄，有人说应该颁给他诺贝儿奖，他也是我还可以记得名字的发明人之一，而其他的很多技术发明人却泯然众人矣。从这个故事中也可以折射出日本大公司的官僚主义和大公司病。

NOR VS NAND

那么什么是NOR Flash和NAND Flash？我们先来看看他们芯片的样子：

（左边是NAND,右边是NOR）

他们的电气原理我就不讲了，感兴趣的人也不多。我们这里主要聚焦在他们的共性和特性上。

1。共性

A. 都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容。

B. 在写入前都需要擦除。实际上NOR Flash的一个bit可以从1变成0，而要从0变1就要擦除整块。NAND flash都需要擦除。

2。特性

特性是决定使用哪种Flash的根据，我这里总结出一张表：

如果以美光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

（数据来源Micron）

如果我们单独看随机读取速度：

（数据来源Micron）

如果用现在流行的关系图看是这样：

（数据来源Toshiba）

应用场景

在PC和手机上我们都可以找到NOR和NAND Flash的身影。

1。NOR Flash

NOR Flash和普通的内存比较像的一点是他们都可以支持随机访问，这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序。这点让它成为BIOS等开机就要执行的代码的绝佳载体。

NOR Flash 根据与 Host 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的控制器上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问。NOR Flash在BIOS中最早就是这种接口，叫做FWH（Firmware HUB），由于其接是并行接口，速度缓慢，现在基本已经被淘汰。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 也就是PCH相连。

现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

2。NAND Flash

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。它的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）和 TLC（Triple-Level Cell）三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。

NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。

现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

3。其他

1. 最早的手机等设备之中既有NOR Flash也有NAND Flash。NOR Flash很小，因为支持XIP，所以负责初始化系统并提供NAND Flash的驱动，类似Bootloader。而NAND Flash则存储数据和OS镜像。三星最早提出Norless的概念，在它的CPU on die ROM中固话了NAND Flash的驱动，会把NAND flash的开始一小段拷贝到内存低端作为bootloader,这样昂贵的NOR Flash就被节省下来了，降低了手机主板成本和复杂度。渐渐NOR Flash在手机中慢慢消失了。

2. NOR Flash最大的问题是擦写慢和可擦写次数少，但是很少会因为这个原因造成BIOS速度降低和损坏，你知道是为什么吗？

尾声

NAND Flash相对NOR Flash更可能发生比特翻转，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法，同时NAND Flash随着使用会渐渐产生坏块；我们在使用NAND Flash的SD卡上经常使用FAT文件系统，如果大家度过前面的文章（传送门：FAT文件系统与UEFI - 知乎专栏）就会知道，文件分配表会被频繁改写，而每块的擦写次数是NAND Flash寿命的决定性因素。如何才能平衡各块的擦写和为可能的坏块寻找替换呢？通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类：