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为何NANDFlash可成为车用电子可信赖的低成本解决方案?

2020-06-15

https://www.eettaiwan.com/news/article/20180502NT41-winbond-code-storage-flash-memoryAnil Gupta,华邦电子技术总监;胡瞬钟,华邦电子资深技术经理

NOR Flash在45nm製程以下微缩遇到瓶颈,而日新月异的车用市场又需要更高容量的储存记忆体来因应日趋複杂的安全及自动驾驶要求,华邦高品质、低成本的serial NAND可为汽车製造商提供满足严苛车用电子规範的全新解决方案。
一般分别而言,有两种非挥发性快闪记忆体可供系统设计者在储存需要上选择使用。一种是NOR Flash,这是一种稳定可靠的记忆体,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,但它单位成本相对低廉,适合在需要高容量记忆体需求的应用上——截至 2018年2月,先进製程的3D NAND可以生产容量高达6Tb,并且每单位成本非常低廉。这为设计者在选择快闪记忆体类型上提供了一个简单、现成的经验法则:编码型储存,需要可靠的性能和长时间的资料保留,并且需要常常读写
→选NOR Flash资料储存,需要高容量低成本,而且可以容忍坏点
→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,但也只是部份的事实。实际上,随着製程技术在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。为什幺现在选择Flash种类在个别应用上更加重要?对于许多嵌入式应用来说,使用串列式传输介面 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,周边电路所佔在元件的面积比例较大,NAND不会在成本上有多大优势。但在512Mb和以上的容量,阵列面积佔用了元件的主要部份,成本优势就非常显着。然而,对于现在越来越多的嵌入式应用,256Mb记忆体已经不敷使用,尤其在汽车系统中最为明显。从先进驾驶辅助系统到完全自动驾驶,複杂的汽车应用将更需要高容量的记忆体),这对设计者而言,成本的考量变得相对重要许多。NOR製程微缩技术的瓶颈製程微缩是半导体降低成本的不二法门,对NOR FALSH而言,在 1986年,最领先的製程是1.5μm。经过二十多年后,製程进步到65nm。然而NAND FLASH 进展更快,如今最先进的 3D NAND 已经可以用1x nm製造。然而,NOR FLASH 製程微缩却比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 製程。可是截至 2018年,大约十年后的今天,还是只有一两家製造商可以提供45nm NOR FLASH产品。其他供应商的4x nm技术仍在开发中。这对车用电子系统製造商来说,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来做程式码的储存,但是成本却越来越高,因此,如果NAND flash 能够提供跟NOR Flash 一样的可靠度品质,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 资料遗失的机制。一般NAND Flash常见的故障模式在正常使用Flash IC过程中,会有两种主要状况容易发生坏点:写入记忆体时产生bit error;快闪资料保持一段时间后,由于漏电,造成资料移失而产生读取错误。尤其在极端高温下的操作,更易于发生此种漏电,进而缩短快闪记忆体的资料保持时间。
资料移失而产生读取错误的风险,可以藉由通过ECC校正来消除。华邦电子46nm NAND Flash 仅需要1-bit ECC。电子洩漏是无法避免的。它的风险可以用可计算的机率来表示,每个位元在写入后,里面的电子都会随时间及外在环境条件而慢慢遗漏,当这位元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,相同製程下,NAND Flash每单元的面积是小于NOR Flash。这是这两种Flash先天的设计,并解释了为什幺NAND Flash可以提供较低的每单位成本。图2显示,SPI NOR和 SLCserial NAND 每个位元电子数目的比较,这有助于解释为什幺 NOR是相对「可靠」的记忆体类型。如图2,在130nm製程下,每个位元包含4,000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,这对读取资料而言是没影响的程度。然而,当製程进步,每个位元越来越小,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 製造的 MLC或着 TLC NAND,这幺小的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,因此需要複杂的周期性确认跟重新写入来保存资料。然而,对于车用电子,在十年内对资料丢失是零容忍。并且车用电子设计者也不想处理和面对複杂的周期性确认跟重新写入的风险。那幺,在需要高可靠性的应用中,「高品质」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 可以被认为是必要的门槛,因为这样一个cell仍将保留75% 的储存电子在10年后 。图2显示了在46nm 和3xnm 之间的serial NAND都超过了这个值。华邦电子使用46nm製程所开发的高品质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,依然保留优异的资料储存性能,可与在65nm製程NOR Flash相媲美。在车用电子应用中,对于高品质serial NAND 的要求是要能够在85℃高温下完成100次写入/擦除,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。测试资料显示,华邦高品质的serial NAND 能够在85℃下完成10,000次写入/擦除后,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品质serial NAND的另一项保证是在100次写入/擦除内不会有坏块 产生,这意味着无需在SoC或微控制器中使用坏块管理BBM 机制。BBM通常需要使用于传统的serial NAND。另外,华邦高品质serial NAND还支援快速读取,并且跟NOR Flash使用的读取指令相同,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以上使用相同脚位的华邦高品质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製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储存记忆体来应付愈趋複杂的安全及自动驾驶要求,华邦高品质低成本的serial NAND能够在512Mb,1Gb和2Gb的容量,为汽车製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範。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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