闪存芯片NOR Flash、NAND Flash傻傻分不清楚 ICMAX帮你搞定

通过前天的文章介绍，我们知道eMMC 是 Flash Memory 的一类，eMMC的内部组成是NAND flash+主控IC，那什么是Flash Memory、NOR Flash、NAND Flash，宏旺半导体就和大家好好捋一捋它们几者之间的关系。

Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。在 PC 系统中，则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。另外，绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。

1. Flash Memory 的主要特性

与传统的硬盘存储器相比，Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下：

Flash Memory 写入数据时有一定的限制，它只能将当前为 1 的比特改写为 0，而无法将已经为 0 的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。

块擦除次数有限

Flash Memory 的每个数据块都有擦除次数的限制（十万到百万次不等），擦写超过一定次数后，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。

为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上需要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理（Bad Block Management，BBM），标识坏块，不让坏块参与数据存储。（注：除了擦写导致的坏块外，Flash Memory 在生产过程也会产生坏块，即固有坏块。）

读写干扰

由于硬件实现上的物理特性，Flash Memory 在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常，这种异常可以通过重新擦除来恢复，Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。

电荷泄漏

存储在 Flash Memory 存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误，不过这个时间比较长，一般十年左右，此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。

2. NOR Flash 和 NAND Flash

根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。 主要的差异如下所示：

· NAND Flash 读取速度与 NOR Flash 相近，根据接口的不同有所差异；

· NAND Flash 的写入速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 的擦除速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 最大擦次数比 NOR Flash 多；

· NOR Flash 支持片上执行，可以在上面直接运行代码；

· NOR Flash 软件驱动比 NAND Flash 简单；

· NOR Flash 可以随机按字节读取数据，NAND Flash 需要按块进行读取。

· 大容量下 NAND Flash 比 NOR Flash 成本要低很多，体积也更小；

（注：NOR Flash 和 NAND Flash 的擦除都是按块块进行的，执行一个擦除或者写入操作时，NOR Flash 大约需要 5s，而 NAND Flash 通常不超过 4ms。）

2.1 NOR Flash

NOR Flash 根据与 CPU 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 SRAM/DRAM Controller 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，因而支持片上执行。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 连接。

图片： Parallel NOR Flash 与 Serial NOR Flash

鉴于 NOR Flash 擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。

2.2 NAND Flash

NAND Flash 需要通过专门的 NFI（NAND Flash Interface）与 Host 端进行通信，如下图所示：

图片：NAND Flash Interface

NAND Flash 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 的一个存储单元内部，是通过不同的电压等级，来表示其所存储的信息的。在 SLC 中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示 0 和 1 两个状态，即 1 个比特。在 MLC 中，存储单元的电压则被分为 4 个等级，分别表示 00 01 10 11 四个状态，即 2 个比特位。同理，在 TLC 中，存储单元的电压被分为 8 个等级，存储 3 个比特信息。

图片： SLC、MLC 与 TLC

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。下图 中，给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。

相比于 NOR Flash，NAND Flash 写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash，PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。

3. Raw Flash 和 Managed Flash

由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限，为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值，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）。

在具体实现中，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。

图片： Raw Flash 和 Managed Flash

Raw Flash

在此类应用中，在 Host 端通常有专门的 FTL 或者 Flash 文件系统来实现坏块管理、擦写均衡等的功能。Host 端的软件复杂度较高，但是整体方案的成本较低，常用于价格敏感的嵌入式产品中。通常我们所说的 NOR Flash 和 NAND Flash 都属于这类型。

Managed Flash

Managed Flash 在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。相比于直接将 Flash 接入到 Host 端，Managed Flash 屏蔽了 Flash 的物理特性，对 Host 提供标准化的接口，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 Flash 进行特殊的处理。eMMC、SD Card、UFS、U 盘等产品是属于 Managed Flash 这一类。

看完这篇文章，相信对Flash memory都会有一个全面的了解，无论是其原理，还是NOR Flash 和 NAND Flash、Raw Flash 和 Managed Flash 之间的异同，欢迎关注宏旺半导体，会持续带来存储领域更专业的文章。

你真的懂3D NAND闪存？｜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） 综合自「非凡创芯力」，谢谢。

从新闻到市场分析报告，我们看到很多关于 3D NAND 的报道，国内这几年投资兴建许多12吋半导体工厂，其中大多是晶圆代工或 DRAM 厂，排除外资所投资的半导体厂，长江存储 (YMTC) 的武汉新芯 (XMC) 是目前唯一即将量产 3D NAND 的国内厂家。武汉新芯已研发出 32 层 3D NAND 芯片，预计年底量产，不过据消息指出，截至九月底武汉新芯已有约 2,000 片产能。

本篇文章将带大家初步了解 3D NAND 是什么、为何发展 3D NAND 技术、3D NAND 有哪些技术发展，以及，它所带来的影响。

NOR Flash及NAND Flash

在开始之前，我们先来科普一下ㄧ些 Flash Memory 的基本知识。在半导体存储器领域，NAND 是 NAND Flash Memory 的简称，Flash Memory 在国内翻译为快闪存储器，简称闪存，是ㄧ种非易失性存储器 (Non-Volatile Memory，NVM)，也就是说当电源关掉，它所存储的数据不会消失。与之对应，大家常听到的 DRAM、SRAM 则是易失性存储器 (Volatile Memory， VM)，电源关掉，所存储的数据会消失。

闪存依存储单元 (Memory Cell) 结构的不同区分为 NOR Flash及 NAND Flash 二种，对于这二种闪存的差异，技术细节我们不在此细说，读者只需知道：(请参考下表)

有较快的读取速度，但写入及擦除则较慢，其容量也远小于 NAND Flash，但 NOR Flash 可存取至任何选定的字节。ㄧ般 IC 内之嵌入式闪存 (Embedded Flash) 均为 NOR Flash，主要用于存储行动装置及计算机内之启动、应用程序、操作系统和就地执行 (eXecute-in-Place，XIP) 的代码。NOR Flash 存储单元大小比 NAND Flash大很多，也由于存储单元的结构，NOR Flash 在本质上比 NAND Flash可靠。

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读取速度稍慢，但写入及擦除则相对较 NOR Flash 快很多，IC 容量可达 128GB 以上，但它无法存取至特定的字节，而是以小块 (Page) 方式处理数据。NAND Flash 通常被用来作为大量数据存储器，现在市面上 GB (Gigabyte) 级的 U 盘 (USB Flash Drive) 及 SSD 固态硬盘 (Solid State Drive/Disk) 均使用 NAND Flash。

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图片来源 : Created by Author

闪存缩放限制

(Flash Memory Scaling Limit)

小存储单元尺寸 (Cell Size)、高性能 (Performance) 以及低功耗 (Power Consumption) 一直是存储器业者持续追求的目标。越来越小的尺寸让每片晶圆可以生产更多的 die，高性能才能符合高速运算的需求，低耗电才能改善行动装置电池充电频率及数据中心系统散热的问题。而芯片工艺的每一次提升 (24nm → 14nm → 10nm…) ，带来的不仅仅是元件尺寸的缩小，同时也带来性能的增强和功耗的降低。

有个词称为 ”闪存的缩放限制” (Flash Memory Scaling Limit)，指出无论芯片上的元件能缩小多少，闪存都无法跟上步伐。这个限制过去十多年ㄧ直都没实现，然而，14nm 以下，半导体工艺迁移到 Fin-FET (Fin Field-Effect Transistor，鳍式场效应晶体管) 结构，一种新的晶体管，让这个 ”闪存缩放限制” 问题正式浮出水面，因为这技术无法直接套用在既有的闪存元件上。嵌入式 NOR Flash 在这方面目前似乎无解，幸好过去几年，ㄧ些新的存储器元件技术已被开发出来，嵌入式 NOR Flash 被取代应该只是时间早晚的问题，相反的，NAND Flash 业者却早已找到ㄧ些因应之道。

为了打破 ”闪存的缩放限制” 枷锁，确保能持续提供高容量、低成本的 NAND Flash，相关业者多年前就开始研发解决之道。主要的方向有:

把存储单元立体化

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让每个存储单元不只存储ㄧ个 bit



让多颗闪存晶粒可以直接堆叠封装



很多文章将第ㄧ项及第三项混淆在ㄧ起，下面我们将ㄧㄧ介绍，协助大家了解。

3D NAND Flash

那到底什么是 3D NAND ? 它指的是 NAND 闪存的存储单元是 3D 的。我们之前使用的闪存多属于平面闪存 (Planar NAND)，而 3D NAND，顾名思义，就是它是立体的。Intel 用高楼大厦为例演释 3D NAND，如果平面闪存是平房，那 3D NAND 就是高楼大厦。把存储单元立体化，这意味着每个存储单元的单位面积可以大幅下降。下图为 Samsung Planar NAND 发展至 3D NAND (V-NAND) 的示意图。

图片来源 : Samsung V-NAND technology White Paper (Modi

左边二个是 Planar NAND，只是存储单元结构不同，由浮动栅结构 (Floating Gate) 迁移至电荷撷取闪存，亦即上图之 2D CTF (Charge Trap Flash)。然后是将 2D CTF 存储单元 3D 化变成 3D CTF 存储单元 (上图之 3D CTF)，最后通过工艺技术提升逐渐往上增加存储单元的 Layer 数，把存储单元像盖大楼ㄧ样越做越多层。Samsung 的 3D V-NAND 存储单元的层次 (Layer) 由 2009 年的 2-layer 逐渐提升至 24-layer、64-layer，再到今年 (2018) 之 96-layer。

图片来源 : Samsung V-NAND technology White Paper (Modi

近几年来许多大厂纷纷投入 3D NAND 的研发，但目前只有 Samsung、Toshiba/SanDisk/WD、SK Hynix、Micron/Intel 四组公司能够量产。各家的 3D NAND 存储单元及技术都不相同，也几乎每家公司都已宣布开发出 96 层 3D NAND，但目前量产的大多为 64 到 72 层的 3D NAND。

3D NAND 闪存工艺复杂，难度极高，因此厂商并非以最先进的工艺来研发生产 3D NAND。目前最先进的逻辑芯片工艺已来到 7nm，许多大厂目前量产的是 14nm，Planar NAND 也多使用 14nm 工艺生产，而 3D NAND 则大多使用 20nm 以上的工艺。下图是 Tech Insights 2018 最新整理的 NAND Flash Roadmap，包含 2D (Planar) NAND 及 3D NAND，注意到没，前面提到即将量产的长江存储 (武汉新芯) 已被纳入图表中，成为第五家有能力生产 3D NAND 的厂家。

图片来源 : Tech Insights NAND Flash Memory Technology/

多层单元

(Multi-Level Cell)

一般正常的存储单元，不管是 DRAM、SRAM、FLASH、ROM 等等，都只存储ㄧ个比特 (Bit) 的资料 (称为 SLC，Single-Level Cell)。为能更缩小存储单元尺寸，除了运用工艺持续做小及将存储单元 3D 化外，各厂商也将脑筋动到增加每存储单元能存储的 bit 数目上。简单的算数，当ㄧ个存储单元可以存储二个 bit 时 (称为 MLC，Multi-Level Cell)，其存储单元尺寸等同于减少ㄧ半 ; 存储三个 bit (称为 TLC，Triple-Level Cell)，则尺寸等同于原有的 1/3 ; 四个 bit (称为 QLC，Quad-Level Cell)，则存储单元尺寸只剩原有的 1/4。(注: 也许当年在定义 2-Level Cell 时没想之后还会有 TLC 及 QLC，因此以 MLC 代表 2-Level Cell)。

SLC 存储ㄧ个 bit 数据，也就是二个状态 (0，1) ; MLC 存储二个 bit 数据，所以是四个状态 (00，01，10，11) ; TLC 三个 bit，八个状态 (000，001，010，011，100，101，110，111) ; QLC 四个 bit，十六个状态 (0000，0001，…. 1111)，如下图所示。

图片来源 : Micron Official Website (Modified by Author

当然天下没有白吃的午餐，鱼与熊掌不可兼得，存储单元尺寸降低的代价是设计难度的提高以及性能的降低。为什么会如此？又是ㄧ个简单的算数问题。假设存储单元电压是 1.8V，对 SLC 而言，ㄧ个 bit 有二个状态，平均分配 1.8V 电压，每个状态可以分到 0.9V。对 MLC 而言，四个状态平均分配电压，每个状态可以分到 0.45V，以此类推，TLC 每个状态只可以分到 0.225V，而 QLC 更惨，每个状态只可以分到 0.1125V。在这么小的电压下，这么多的状态以极小的电压区隔，电压区隔越小越难控制，干扰也越复杂，而这些问题都会影响 TLC 或 QLC 闪存的性能、可靠性及稳定性，因而可以想见设计的难度有多高了。

另外如同上图所示，越往右，存储单元相对尺寸越小，因而成本越低。但其编程/擦除周期 (Program/Erase Cycle，简称 P/E Cycle，也有人称为擦写次数) 会大幅降低，同时读、写及擦除所需的时间也会增加 (性能降低)。擦写次数的降低为这项技术带来相当大的争议，因为擦写次数代表这闪存的寿命长短。如同上图所示，从 SLC 到 QLC，擦写次数由 10 万次降到只有ㄧ千次，吓坏ㄧ大堆人。

厂商当然也知道，他们用系统设计来弥补这项缺点。系统会控制平均分摊每一个区块的擦写次数，故障的区块也会被尚未使用的区块替换，以确保了闪存能持续运行。因为如此，即使每个存储单元只有ㄧ千次擦写次数，整颗闪存仍然可以从容的应付我们日常使用的需求。当然，这样的结果使得 TLC 或 QLC 只适用于消费者个人使用 (例如 SSD)，它是无法满足 Data Center 之类的企业需求的，因为商用，例如资料处理中心 (Data Processing Center)，的存储设备，其插写频率是相当相当高的。

硅穿孔技术

(TSV，Through Silicon Via)

硅穿孔技术其实与 3D NAND 工艺无关，严格来说，它属于ㄧ种封装技术。会拿出来讲主要是ㄧ方面它可让 3D NAND 闪存更上层楼，容量加大好几倍。另ㄧ个原因是因为有些人把它跟 3D NAND 存储单元的 layer 层数混淆了，他们把 32、64 或 96-layer 3D NAND 描述为把 32、64 或 96 个晶粒 (Die) 堆叠在ㄧ起，这是很大的误解。

TSV 技术已普遍用于 DRAM及 Flash 产品。以往ㄧ个 IC 芯片 (Chip) 只封装ㄧ颗晶粒，渐渐地为了降低成本、节省主机板空间及提高性能，多芯片封装 (MCP，Multi-Chip Package) 开始盛行 (如下图左方图示)。TSV 则是以工艺方式将 IC 基板 (Substrate) 穿孔，填入金属，让上下晶粒直接相导通 (如下图右方图示)，不仅省去像左方图示所显示封装打线 (Bonding)，更能进ㄧ步提升 DRAM 或 Flash 单颗芯片的容量、讯号品质、传输性能，以及降低传导杂讯干扰。

图片来源 : 3D NAND Flash Memory - Toshiba (Modified by

目前各家量产的 3D NAND 芯片大多只以 TSV 堆叠到 8 或 16 层 3D NAND 晶粒 (Die)。下表范例为 Toshiba 的 512GB (Gigabyte)/1TB (Terabyte) 闪存产品介绍，你可以清楚看到它使用 48-layer 的 3D NAND 存储工艺制造出容量为 512 Gb (Gigabit) 的闪存晶粒，再以 TSV 技术分别堆叠 8 或 16 个 die (在下表中是以 Number of Stacks 来表示堆叠数目) 来做出 512 GB (512Gb x 8) 或 1TB (512Gb x 16) 的闪存芯片。(注 : 小写的 b 代表 bit (比特)，大写 B 代表 byte (字节)，ㄧ个 byte 等于 8 个 bits)。

图片来源 : AnandTech Post : Toshiba Weds 3D NAND and T

所以，ㄧ个 NAND 闪存的晶粒 (die)，运用 3D NAND 技术，可以把多达 96-layer 的存储单元堆叠在一起，像盖摩天大楼ㄧ样。而为了增加每个封装芯片 (Chip) 的容量，厂商再把8个或16个晶粒 (die) 以TSV 的技术叠在ㄧ起去封装成芯片。这样应该清楚了吧!

结语

半导体工艺来到 14nm 以下，Fin-FET 技术让 NAND 及 NOR 闪存的发展碰到瓶颈。半导体大厂运用三项技术，亦即 3D NAND 存储单元技术、多层单元 (MLC/TLC/QLC) 技术，以及，硅穿孔 (TSV) 技术，让 NAND 闪存得以持续发展，许多大厂都已开发出 96 层 TLC 甚至是 QLC 的 3D NAND 闪存。

NAND 闪存芯片的容量在这几年快速提升，因而使得 NAND 闪存芯片成为行动装置及计算机内之大量数据存储器芯片。SSD 固态硬盘的容量已可做到 1TB (Terabyte) 等级，逼近 HDD 传统硬盘 (Hard Disk Drive)。虽然在未来几年 HDD 仍然有些许价格上的优势 (SSD 每 GB 的单价约为 $0.2~$0.3，是 HDD 的10 倍)，但由于 SSD 不像 HDD 有机械动作，速度、噪音及耗电也都比 HDD 好，已普遍受到ㄧ般消费者的欢迎，然而由于低擦写次数等限制，使得 3D NAND SSD 无法取代 HDD 在商用市场上的地位。

许多新型态的非易失性存储器已研发出来 (我们将另文介绍)，未来或许能取代现有的 DRAM/SRAM/Flash 存储器。在此之前，3D NAND 闪存应该仍可保有它的市场地位ㄧ段时间。

最后，附带ㄧ提，这个月初 (2018 年 8 月)，长江存储发表其称之为 Xtacking 的突破性技术。它将为其 3D NAND 闪存带来前所未有的 I/O 高性能、高存储密度，以及更短的产品上市周期。依据其新闻稿，Xtacking 技术只需一个处理步骤就可通过数百万根金属 VIA (Vertical Interconnect Accesses，垂直互联通道) 将二片晶圆键合接通电路 (注意是二片晶圆而非二颗晶粒)，其中一片晶圆是负责数据 I/O 及存储单元操作的外围电路，另一片晶圆则是 3D NAND 存储单元。这样的方式有利于 I/O 及控制电路以及 3D NAND Flash 各自选择其最合适的先进逻辑工艺，这 Xtacking 技术可以让其 NAND I/O 速度得以提升到 3.0Gbps (目前世界上最快的 3D NAND I/O 速度的目标值是 1.4Gbps)， 与 DRAM DDR4 的 I/O 速度相当，这即将量产的国产 3D NAND 闪存值得期待。

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