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nand 1gbit 如何透过堆栈芯片的技术解决闪存容量不足，减少芯片脚位数，以及降低系统设计的复杂度

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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如何透过堆栈芯片的技术解决闪存容量不足、减少芯片脚位数，以及降低系统设计的复杂度

消费者对于产品的要求已经不满足于现状，在行动运算装置上，不断追求功能更多且更轻薄的产品。从前需要在笔电上作业的工作，现在早已经可以在智能型手机上完成。更不用说现在的智能型手表还能透过跟智能型手机连结而做到以前想象不到的事情。

在许多非常在意微小化电路空间的设计中，随着数据量的增加，储存器占用的空间对于微型化设计来说非常的关键。闪存的NOR通常用来储存开机程序，而NAND通常用来储存大量数据。在电路板设计时，都必须为这些闪存IC预留焊接空间。

串行式NOR和NAND闪存因为脚位少，更有利于微小型系统的设计。而华邦电子所生产的串行式NOR和NAND闪存约占全世界出货量的30%，在串行式闪存的出货量更是世界第一。华邦电所发明的 Quad Serial Peripheral Interface (QSPI) 是带宽更高、更高速的传输接口，可用来取代传统多脚位并列式闪存的应用，譬如，用于微控制器和主芯片之间的连接。

为了符合微型化趋势的设计理念，华邦电提出了创新的应用方法，把串行式闪存NOR和NAND芯片堆栈在同一个芯片封装中。这个方法取代了在电路设计中，必须要使用两个单独芯片，进而能节省电路设计的空间。

在这篇文章当中，主要说明了在传统上使用上，两个或多个堆栈芯片的应用情境中所会遭遇到的瓶颈与难题，并说明如何藉由华邦电所提出的堆栈芯片解决方案来解决这些问题，来进一步提高产品的效能！

使用堆栈内存芯片的好处

通常在一个小型的装置会使用一个16Mbit的NOR闪存来储存开机程序,，另外会用另一个1Gbit的NAND闪存来储存数据或操作系统。NOR闪存具有快速读取的优势，可让系统进行随机存取，适用于需要经常快速读取数据的应用。而NAND闪存具有较快的写入速度，价格上也较512Mbit以上的NOR闪存来的便宜。

现行一般的设计大都是使用个别的NOR和NAND闪存来和主芯片连接。

然而现行分别使用两个内存的设计能透过华邦提供的SpiStack系列堆栈产品(如下图1) 来达成相同的设计结果。好处是能使电路板设计上减少一个内存组件，让电路设计更有弹性进而减少电路板的大小。

图1. 外观尺寸较小的NOR闪存堆栈在NAND闪存上方。两个芯片透过封装打线固定在基板上。

应用上除了NOR加上NAND的堆栈，还可以是NOR加NOR或是NAND加NAND的堆栈组合。例如原来设计是用512Mbit的NAND需要扩增到1Gbit，但有可能1Gbit NAND的封装尺寸可能与原先使用的512Mbit不一样，导致需要更改电路板设计。而使用华邦这样有弹性的堆栈芯片组合，用两个512Mbit NAND加NAND的芯片堆栈在原来的封装中，不但可以让内存容量增大为两倍，还省去重新设计板子的问题。

堆栈芯片的主要概念是要减少芯片脚位，让电路设计简化和减少重新设计所需的工作。不过华邦推出的堆栈芯片方案不但能够完全不增加芯片脚位来维持电路设计的弹性，还能进一步改善读写效能。

低脚位数的堆栈芯片方案

堆栈芯片一个主要的挑战在于：如何让主芯片或微控制器跟堆栈在同一个封装里面的闪存作沟通。为了避免在SPI通讯接口上的冲突，主芯片会透过芯片选择(CS)的硬件讯号来选择要存取的SPI接口闪存。

在其它厂家的堆栈芯片作法，芯片选择(CS)是透过硬件讯号来实现，所以若是两个芯片的堆栈就需要两个芯片选择(CS)的脚位，若是三个芯片的堆栈就需要三个芯片选择(CS)的脚位，依此类推。

显然地这样的堆栈芯片作法，增加了很多芯片选择(CS)的脚位，当然在电路板上也需要较多的空间给这些讯号线。

图2. 堆栈芯片用软件方式来实现芯片选择(CS)，仅需要一根芯片选择(CS)讯号。

然而透过华邦最新推出的W25M SpiStack系列闪存，可以解决这个问题，主芯片藉由使用软件的方式透过一个芯片选择(CS)的指令来选择要存取的闪存芯片 (如图2)。在堆栈芯片里的每一个芯片都有独立不冲突的标识符(ID)，透过标识符(ID)可让软件执行芯片选择(CS)并知道现在正在存取的芯片是哪一个。

因为是透过软件的方式由一个芯片选择(CS)的指令来选择要存取的闪存芯片，可让2~4个芯片封装在标准的8-pin SOP 或 8-pad SON 封装中 (如图3)。然而其他厂商堆栈芯片的作法必须多出相对应的芯片选择脚位(CS)，因而通常需要使用16-pin SOP or 24-ball BGA 相对尺寸较大的封装而增加电路设计的复杂度。

图 3. 透过软件实现方式让3个堆栈芯片可以封装在一个8-pin脚位的封装中。

对于开发者而言，要实现华邦SpiStackTM的多芯片选择(CS)指令相当容易。 “C2h”指令可用于选择任一堆栈芯片来存取 (如图4)，不管现在芯片状态为何，都可在任一时间作切换去选择芯片。

图4. 在C2h指令使用各芯片的唯一标识符作选取。

如何达到较快速的读取和写入操作效能

相较于SRAM和DRAM而言，写入速度慢是闪存本质的特性。系统常遇到的一个情况是当要读取闪存时，若刚好先前有执行过写入的指令，这时若要读取闪存则需要等待写入程序的完成，如此一来就浪费系统在等待的时间。另一个作法是执行指令让写入程序先暂停，等待读取完所需的数据后，再执行回复写入指令让先前未完成的写入程序继续执行，但这样的作法不但让执行上变的复杂，也拖慢真正要读取与写入的时间。

华邦推出的堆栈芯片可以透过同时操作避免掉前述的问题。也就是当一个芯片正再进行写入或擦除的程序时，可以同时间的去读取另外一个芯片 (如图5)。

图5. 在华邦闪存的两个堆栈芯片中，当一个芯片在执行写入或抹除时，主芯片可以对另外一个芯片同时去作读取、写入或抹除的程序。

如同先前的叙述，在SPI接口上同一时间一次只能选取到一个芯片，但是华邦SpiStackTM技术是可以让两个芯片同时进行操作。例如，当一个芯片在进行写入或抹除程序时可同时对另一个芯片作读取，或是当一个芯片在进行写入或抹除程序时也可对另一个芯片同时下达写入或抹除的指令。

在很多的应用中，若能够使用同时操作的程序就能够大幅提升记忆体操作的效能。这代表华邦SpiStackTM在操作上能够比其他只能单一执行一个程序的操作方式更快更有效率。

提供同质与异质的闪存堆栈搭配组合

华邦的SpiStack堆栈芯片解决方案提供客户多种的闪存容量与封装组合，包含同构型的内存堆栈(例如NOR+NOR 或 NAND+NAND) 或是异质性的内存堆栈 (例如 NOR+NAND) 等组合。华邦作为世界级的内存设计和制造商，能够提供最多样化的产品组合来满足客户对内存容量和封装的需求。

有弹性的设计和使用普遍的封装是开发设计者对于选用内存的重要考虑, 这样目的是可以让之后的设计可以直接更换不同容量的内存而不需要作电路的变更。

目前已经可以供货的SpiStack堆栈芯片产品包含：

•a 16Mbit NOR + 1Gbit NAND

•a 32Mbit NOR + 1Gbit NAND

•a 64Mbit NOR + 1Gbit NAND

•a 128Mbit NOR + 1Gbit NAND

•a 512Mbit NOR consisting of two 256Mbit NOR dies

•a 2Gbit NAND consisting of two 1Gbit NAND dies

更多在2018年即将供货的产品组合在华邦电子的SpiStack产品型录当中，其中也可透过客户提出的需求来计划供货。

更多电子工程华邦相关产品专辑，请参考

拆解报告：天猫精灵方糖R智能音箱

在天猫精灵2019年的春季发布会上，阿里巴巴人工智能实验室发布了天猫精灵方糖R智能音箱，它有2个全屋场景体验新功能：就近唤醒和Multi-Room。当家里有多天台天猫精灵，距离最近的那一台天猫精灵会被唤醒；点播一首歌，Multi Room 功能支持全屋多台天猫精灵共同播放同一首歌。

此前，我爱音频网曾经拆解过天猫精灵方糖智能音箱，它的型号是TG_C1，而此次拆解的方糖R音箱的型号依然是TG_C1，二者有什么不同，一起来看拆解吧。

我爱音频网拆解过的天猫精灵智能音箱有：天猫精灵 TG_S2（CCL）带屏智能音箱、天猫精灵CC带屏智能音箱、天猫精灵IN糖智能音箱、天猫精灵M1智能音箱、天猫精灵魔盒、天猫精灵QUEEN智能语音美妆镜、天猫精灵儿童智能音箱 TG_A1、天猫精灵TG_X1。

一、天猫精灵方糖R智能音箱开箱

包装盒正面，有深色的“天猫精灵方糖 ”字样，下面是方糖R智能音箱侧面的渲染图，底部有产品的四个特点：蓝牙连接、AI通话、Multi-Room功能和dts音效。

包装背面的产品信息，产品型号：TG_C1，制造商：浙江天猫供应链管理有限公司，上面还有服务电话、产品尺寸、执行标准、制造商地址信息。

包装盒内物品，天猫精灵方糖R智能音箱1台，电源适配器一个和用户手册。

电源适配器特写，输出线与适配器为一体式设计，不可分离。

配备的充电线插头为DC圆头。

电源适配器特写，型号：CYSN12-120100C，输入：100-240V-50/60Hz，0.3A，输出：12.0V⎓1.0A，江苏辰阳电子有限公司制造。

音箱正面特写，方糖R采用了新的设计，中间的圆形开孔大，四周的圆形开孔小，内侧有橙色防尘网罩，从而构成了点阵式的天猫精灵品牌形象，上方还有白色“TMALL GENIE”字样。

方糖R音箱顶部特写，下面是三颗按压式物理按键，从左到右分别对应音量减、麦克风关闭按钮和音量加；上面有两个小孔是麦克风开孔，其余的是装饰；中间还有一个不太明显的天猫精灵点阵式LOGO。

音箱背面特写，上半部分有“天猫精灵 TMALL GENIE”字样，和一张条形码；下半部分采用横线条纹装饰，出音开孔处组成了字母造型，但不太容易分辨，右下角是电源插孔。

音箱底部特写，产品名称：天猫精灵智能音箱，型号：TG_C1，输入：DC12V⎓1.0A，CMIIT ID：2019DP1537，浙江天猫供应链管理有限公司，右侧是天猫精灵APP的下载二维码。

音箱正面开孔和内侧的防尘网罩特写。

二、天猫精灵方糖R智能音箱拆解

方糖R的正面盖板使用胶水粘合加热即可无损打开，打开可以看到鲜艳的橙色防尘网罩。

连接扬声器与主板的导线插头，线材外面有泡棉胶带包裹。

分离音腔与壳体，主板位于音箱顶部一侧。

扬声器底部特写。

扬声器背部有一个低频辐射器。

扬声器的音腔内部特写。

扬声器单元特写，丝印190423 01L FD44-5BEH，4Ω，3W。

分离音箱的主板与壳体。

音箱顶部按键内侧特写，按键处有缓震泡棉。

音箱主板与电源小板正面特写，主板上固定一块散热铁板，固定螺丝有胶水加固防松。

音箱主板与电源小板背面特写。

电源小板上的排线接口处特写。

电源小板背部特写。小板边缘处包裹泡棉胶，可以减少共振和噪音的产生，背面还预留了一个Micro-USB的焊盘。

取下散热铁板，可以看到主板结构。

散热铁板上有散热硅脂垫，对应SoC区域。

音箱主板背面特写，有三颗微动按键。

微动按键特写。

这颗微动按键周围有导光材料覆盖，下面有一颗共阳RGB LED指示灯。

主板正面特写。

板载天线特写。

TI德州仪器 TLV62568DBV，SOT23封装的1A同步降压转换器。

TI德州仪器TLV62568DBV详细资料。

TI德州仪器TAS5805M 23W，数字输入的立体声D类放大器。

TI德州仪器 TAS5805M 详细资料。

矽力杰 SY8121B，高效率快速响应，2A输出电流，18V输入，1.2MHz工作频率得同步整流降压转换器，内置MOS管，采用SOT23-6封装。

矽力杰 SY8121B 详细资料。

Winbond华邦电子 25N01GVZEIG 1Gbit SLC NAND Flash，用于存储固件信息。

Winbond华邦电子 25N01GVZEIG 详细资料。

硅麦由硅胶壳覆盖，保证气密性，以提高拾音效果。

镭雕G202 9152的MEMS硅麦。

Realtek瑞昱RTL8723DS WiFi、蓝牙4.2二合一控制器。

Realtek瑞昱RTL8723DS信息图。

天猫精灵方糖R搭载ALLWINNER TECH全志科技R328-S2 SoC。全志R328芯片是全志科技研发的智能语音专用处理器，可以提供语音交互方面的可靠算力，广泛适用于智能音箱、智能家电、智能故事机、语音模组等多种产品形态。全志R328具有双核Cortex A7 1.2GHZ的计算能力，以极致成本提供了满足智能音箱远场交互的充足算力，了解到主流语音降噪和深度学习算法均已完成适配和量产验证；在接口方面R328具有极高的集成度和丰富的扩展接口，集成了3路ADC、1路差分DAC、2路LDO、DDR2，支持8路PDM DMIC、3路 TDM I2S、SPDIF音频扩展，并支持硬件MAD VAD，实现了待机状态下的超低功耗唤醒。