闪速存储器技术现状及发展趋势

摘 要： 主要介绍闪速存储器的特点、技术分类及其发展趋势,其中包括闪速存储器的制造工艺、供电、读写操作、擦除次数、功耗等性能比较。

关键词：闪速存储器 NOR技术 DINOR技术 NAND技术 UltraNAND技术

一、 闪速存储器的特点

　　闪速存储器（Flash Memory）是一类非易失性存储器NVM（Non-Volatile Memory）即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如DRAM、SRAM这类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。 Flash Memory集其它类非易失性存储器的特点：与EPROM相比较，闪速存储器具有明显的优势——在系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和/或编程操作）；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如PC及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（PDA）。

二、 闪速存储器的技术分类

　　全球闪速存储器的主要供应商有AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技术架构的不同，分为几大阵营。

1 NOR技术

NOR

NOR技术（亦称为Linear技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROM器件，与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。

　　NOR技术Flash Memory具有以下特点：（1） 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；（2） 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如CompactFlash卡中继续看好这种技术。

　　Intel公司的StrataFlash家族中的最新成员——28F128J3，是迄今为止采用NOR技术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到128Mb（位），对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一种较理想的选择。该芯片采用0.25μm制造工艺，同时采用了支持高存储容量和低成本的MLC技术。所谓MLC技术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有4个阈电压（00/01/10/11），因此可以存储2b信息；而传统技术中，每个存储单元只有2个阈电压（0/1），只能存储1b信息。在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价的。Intel通过采用称为VFM（虚拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。

DINOR

　　DINOR(Divided bit-line NOR)技术是Mitsubishi与Hitachi公司发展的专利技术，从一定程度上改善了NOR技术在写性能上的不足。DINOR技术Flash Memory和NOR技术一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于NOR，而块擦除速度快于NOR。这是因为NOR技术Flash Memory编程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动，电荷聚集，从而使电位从1变为0；擦除时，将浮栅极上聚集的电荷移开，使电位从0变为1。而DINOR技术Flash Memory在编程和擦除操作时电荷移动方向与前者相反。DINOR技术Flash Memory在执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除操作所需电压，这与NOR技术相反。

　　尽管DINOR技术具有针对NOR技术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在当前闪速存储器市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的NOR技术相抗衡的能力。目前DINOR技术Flash Memory的最大容量达到64Mb。Mitsubishi公司推出的DINOR技术器件——M5M29GB/T320，采用Mitsubishi和Hitachi的专利BGO技术，将闪速存储器分为四个存储区，在向其中任何一个存储区进行编程或擦除操作的同时，可以对其它三个存储区中的一个进行读操作，用硬件方式实现了在读操作的同时进行编程和擦除操作，而无须外接EEPROM。由于有多条存取通道，因而提高了系统速度。该芯片采用0.25μm制造工艺，不仅快速读取速度达到80ns，而且拥有先进的省电性能。在待机和自动省电模式下仅有033μW功耗，当任何地址线或片使能信号200ns保持不变时，即进入自动省电模式。对于功耗有严格限制和有快速读取要求的应用，如数字蜂窝电话、汽车导航和全球定位系统、掌上电脑和顶置盒、便携式电脑、个人数字助理、无线通信等领域中可以一展身手。

2 NAND技术

NAND

　　Samsung、TOSHIBA和Fujistu支持NAND技术Flash Memory。这种结构的闪速存储器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。

　　NAND技术Flash Memory具有以下特点：（1） 以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。（2） 数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。（3） 芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，将很快突破每兆字节1美元的价格限制。（4） 芯片包含有失效块，其数目最大可达到3~35块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。 Samsung公司在1999年底开发出世界上第一颗1Gb NAND技术闪速存储器。据称这种Flash Memory可以存储560张高分辨率的照片或32首CD质量的歌曲，将成为下一代便携式信息产品的理想媒介。Samsung采用了许多DRAM的工艺技术，包括首次采用0.15μm的制造工艺来生产这颗Flash。已经批量生产的K9K1208UOM采用018μm工艺，存储容量为512Mb。

UltraNAND

　　AMD与Fujistu共同推出的UltraNAND技术，称之为先进的NAND闪速存储器技术。它与NAND标准兼容：拥有比NAND技术更高等级的可靠性；可用来存储代码，从而首次在代码存储的应用中体现出NAND技术的成本优势；它没有失效块，因此不用系统级的查错和校正功能，能更有效地利用存储器容量。

　　与DINOR技术一样，尽管UltraNAND技术具有优势，但在当前的市场上仍以NAND技术为主流。UltraNAND 家族的第一个成员是AM30LV0064，采用0.25μm制造工艺，没有失效块，可在至少104次擦写周期中实现无差错操作，适用于要求高可靠性的场合，如电信和网络系统、个人数字助理、固态盘驱动器等。研制中的AM30LV0128容量达到128Mb，而在AMD的计划中UltraNAND技术Flash Memory将突破每兆字节1美元的价格限制，更显示出它对于NOR技术的价格优势。

3 AND技术

　　AND技术是Hitachi公司的专利技术。Hitachi和Mitsubishi共同支持AND技术的Flash Memory。AND技术与NAND一样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。

　　Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18μm的制造工艺，并结合MLC技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用双密度封装技术DDP（Double Density Package Technology），将2片512Mb芯片叠加在1片TSOP48的封装内，形成一片1Gb芯片。HN29V51211T具有突出的低功耗特性，读电流为2mA，待机电流仅为1μA，同时由于其内部存在与块大小一致的内部RAM 缓冲区，使得AND技术不像其他采用MLC的闪速存储器技术那样写入性能严重下降。Hitachi公司用该芯片制造128MB的MultiMedia卡和2MB的PC-ATA卡，用于智能电话、个人数字助理、掌上电脑、数字相机、便携式摄像机、便携式音乐播放机等。

4 由EEPROM派生的闪速存储器

　　EEPROM具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以EEPROM做闪速存储阵列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存储器（Data-Flash Memory）。这类器件具有EEPROM与NOR技术Flash Memory二者折衷的性能特点：（1） 读写的灵活性逊于EEPROM，不能直接改写数据。在编程之前需要先进行页擦除，但与NOR技术Flash Memory的块结构相比其页尺寸小，具有快速随机读取和快编程、快擦除的特点。（2） 与EEPROM比较，具有明显的成本优势。（3） 存储密度比EEPROM大，但比NOR技术Flash Memory小，如Small Sector Flash Memory的存储密度可达到4Mb，而32Mb的DataFlash Memory芯片有试用样品提供。正因为这类器件在性能上的灵活性和成本上的优势，使其在如今闪速存储器市场上仍占有一席之地。

　　Small Sector Flash Memory采用并行数据总线和页结构（1页为128或256B），对页执行读写操作，因而既具有NOR技术快速随机读取的优势，又没有其编程和擦除功能的缺陷，适合代码存储和小容量的数据存储，广泛地用以替代EPROM。

　　DataFlash Memory是ATMEL的专利产品，采用SPI串行接口，只能依次读取数据，但有利于降低成本、增加系统的可靠性、缩小封装尺寸。主存储区采取页结构。主存储区与串行接口之间有2个与页大小一致的SRAM数据缓冲区。特殊的结构决定它存在多条读写通道：既可直接从主存储区读，又可通过缓冲区从主存储区读或向主存储区写，两个缓冲区之间可以相互读或写，主存储区还可借助缓冲区进行数据比较。适合于诸如答录机、寻呼机、数字相机等能接受串行接口和较慢读取速度的数据或文件存储应用。

三、 发展趋势

　　存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在闪速存储器行业表现得尤为淋漓尽致。随着半导体制造工艺的发展，主流闪速存储器厂家采用018μm，甚至0.15μm的制造工艺。借助于先进工艺的优势，Flash Memory的容量可以更大：NOR技术将出现256Mb的器件，NAND和AND技术已经有1Gb的器件；同时芯片的封装尺寸更小：从最初DIP封装，到PSOP、SSOP、TSOP封装，再到BGA封装，Flash Memory已经变得非常纤细小巧；先进的工艺技术也决定了存储器的低电压的特性，从最初12V的编程电压，一步步下降到5V、3.3V、27V、1.8V单电压供电。这符合国际上低功耗的潮流，更促进了便携式产品的发展。

　　另一方面，新技术、新工艺也推动Flash Memory的位成本大幅度下降：采用NOR技术的Intel公司的28F128J3价格为25美元，NAND技术和AND技术的Flash Memory将突破1MB 1美元的价位，使其具有了取代传统磁盘存储器的潜质。

　　世界闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近DRAM市场的1/4，与DRAM和SRAM一起成为存储器市场的三大产品。Flash Memory的迅猛发展归因于资金和技术的投入，高性能低成本的新产品不断涌现，刺激了Flash Memory更广泛的应用，推动了行业的向前发展。

参考文献

1 设计存储卡须作综合考虑.电子设计技术
2 What is Intel StrataFlash Memory? & Intel StrataFlash Memory Product Overview & The Datasheet of 28F128J3.www.intel.com
3 Mitsubishi Sgnificantly Expands BGO and Byte/Page Program Capability on 32Mbit DINOR Flash Memory & The Datasheet of M5M29GB/T320.www.mitsubishichips.com
4 Samsung Develops Worls’a First 1Gb Flash Memory Prototype & The Datasheet of K9K1208UOM.www.usa.samsungsemi.com
5 AMD Extends NAND Technoloty to Code Storage with 64Mbit Flash Memory & The Datasheet of Am30LV0064.www.amd.com
6 Hitachi Announces 128MByte MultiMediaCard and 2GByte PC-ATA Flash Card Utilizing A New 512Mbit AND-Type Flash Memory Component.semiconductor.hitachi.com

【附表 闪速存储器性能比较】

	NOR技术		AND技术	NAND技术		EEPROM派生
	NOR	DNOR		NAND	UltraNAND	Small Sector Flash	DataFlash
型号	Intel: 28F12J3	Mitsubishi：M5M29GB/T320	Hitachi：HN29V51211T	Samsung：K9K1208UOM	AMD：30LV0064 1	ATMEL：AT29BV040A	ATMEL：AT45DB32
容量/Mb	128	32	512	512	64	4	32
制造工艺（线宽）/μm	0.25	0.25	0.18	0.18	0.25	--	--
供电电压/V	2.7~3.6	2.7~3.3	2.7~3.3	2.7~3.6	2.7~3.6 （I/O口允许5V）	2.7~3.6	2.7~3.6
总线结构	地址、数据采用各自独立的总线		8位地址/数据总线	8位地址/数据总线		地址、数据采用各自独立的总线	SPI串行总线
内部结构	块：128KB	引导块：32KB 参数块：32KB 主存储块：64KB	块：2KB+64B 内部RAM缓存：2KB+64B	页：512B+16B 块：16KB+512B	页：512B+16B 块：8KB+256B	页：256B	页：528B 块：4KB+128B SRAM数据缓存：528B
读操作	随机读取：150ns	随机读取：80ns	随机读取：50μs 串行读取：50ns	随机读取：10μs 串行读取：60ns	随机读取： 7μs 串行读取： 50ns	随机读取：250ns	串行读取：120μs（Page to Buffer）
编程操作	字节编程： 6μs 块编程：0.8~2.4s	块编程：4ms	块编程：1ms	页编程：200μs	页编程：200μs	字节编程：150μs 页编程：20ms	页编程：7ms 页重新编程（擦除+编程）：10ms
擦除操作	块擦除：1~5s	块擦除：40ms	块擦除：1ms	块擦除：2ms	块擦除：2ms	单周期内页重新编程（擦除+编程）	页擦除：6ms 块擦除：7ms
擦除次数	10^5	10^5	10^5	10^5	10^6(差错纠正) 10^4(无差错纠正)	10^5
功耗	读电流： 20~50mA 编程电流： 60~70mA 擦除电流： 70~80mA	读操作：54mW 编程/擦除操作：126mW 待机/自动省电模式：0.33μW	读电流：2mA 编程/擦除电流：20mA 待机电流：1μA	串行读电流：10mA 编程/擦除电流：15mA 待机电流：10μA	串行读电流：10mA 编程/擦除电流：10mA 待机电流：10μA	工作电流： 15mA 待机电流： 40μA	工作电流： 4mA 待机电流： 3μA
封装	TSOPBGA	TSOP	TSOP	TSOP	TSOPFBGA	TSOP	TSOPCBGA

注：10^5表示10的5次方