第一章 NAND FLASH的介绍
第一节 NAND Flash剖析
随着使用NAND Flash为零主件的相关产品需求增加，以及制造NAND Flash 所产生的高获利， NAND Flash产业已吸引越来越多的厂商进入，使得这市场较不独占。这次我们想要与您们分享一下NAND Flash制造商所使用的技术、合作对象以及如何区分他们的产品。
我们可以大约区分NAND Flash技术为三个领域。最大的一个则是NAND技术。这中间有包含Samsung、Toshiba、Hynix、STMicroelectronics、以及Micron的厂商。其次，是使用AND技术的Renesas。最后一个是使用TwinFlash技术的Infineon Technologies Flash GmbH & Co. KG/Ltd(一个由Infineon Technologies AG持股70% 以及Saifun Semiconductor Ltd. 持股30%的合资企业)
除了以上所介绍的技术之外，我们也要考虑到cell architecture，不论是哪种NAND Flash技术。我可区分为两大类: Single-Level Cell (SLC) 以及Multi-Level Cell (MLC)。SLC NAND Flash适合高效能的产品，其中一个cell只有储存一个bit；而MLC NAND Flash适合价格敏感度较高的产品，其中一个cell储存二个bit 。终端产品厂商可以使用SLC较先进的制成或直接使用MLC来达到储存容量最大化。
在NAND技术方面，Toshiba是NAND Flash cell inventor创始者(有一些技术是与合作伙伴SanDisk一起研发的)。Toshiba有使用 SLC 与 MLC的技术来制造NAND Flash，并是MLC方面的技术领先者，最先进的非堆栈颗粒是4Gb/MLC/90nm。 Samsung 则现在NAND Flash 产业的领先者，目前使用SLC拥有超过60%的市场占有率，其最先进的非堆栈颗粒是2Gb/SLC/90nm。此技术领域的其余厂商有包含Hynix， STMicroelectronics以及Micron均以SLC的技术进入。此技术领域的厂商要增加储存容量除了透过较先进的技术减少die size之外，亦可以透过使用large block cells来取代small blocks (Small=16KB/Block; Large=128KB/Block)。
NAND闪存优点：可靠性高，无活动的机械部件，更适用于工业应用领域；体积小；功耗低；低的延迟时间、快的读写速度；NAND闪存单裸片成本比任何微硬盘低，其单位比特成本每18个月降低一半；易与其他存储器堆叠形成存储器子系统，如ST微电子于2006年3月推出堆叠NAND闪存与Lpsd RAM的MCP（多芯片封装）产品，用于第三代手机、CDMA手机、PDA和GPS等。缺点：随着存储容量增加，NAND闪存成本螺旋式上升，大容量NAND闪存成本大于相同容量下的微硬盘，两者成本交迭点：2005年为2Gb，2006年为4Gb。NAND闪存成本主要由芯片和封装决定。
第二节 工艺与产品
NAND闪存发展方向
提高传输速度。2006年2月ST微电子推出传输速度为36Mb/S 的4Gb NAND闪存，它内嵌一个功能强大的纠错代码（ECC）处理器。
缩小芯片尺寸，采用高K电介质和新型栅极结构。目前三星电子已量产73nm 4Gb SLC (单级单元) NAND闪存；60nm 4Gb SLC NAND闪存已获资格认证；50nm 16Gb MLC NAND闪存已问世。东芝正在生产70nm 8Gb MLC (多级单元) NAND闪存。以后量产节点：50nm→32nm（2010年前）→22nm，随着NAND闪存单元越来越小，移动栅越来越薄，相邻单元易产生相互干扰，必须采用高K电介质来解决。三星已在4Gb NAND闪存单元采用Tanos电介质和新型栅极结构，该高K电介质是SiO2与氮和氧化铝的整合层，并与氮化钽（TAN）组成新栅极结构。该公司2006年下半年量产含3D晶体管的NAND闪存。东芝提出3维单元结构和新型电介质，通过优化阀值电压分配，并减少工艺导致在浮动栅上的应力损失。
提高存储容量。2005～2006年量产4Gb NAND闪存；2007年量产6Gb/8Gb NAND闪存；2008～2009年量产20Gb NAND闪存。三星于2005年9月推出16Gb NAND闪存；2007年推出32Gb NAND闪存；2009～2010年超过100Gb NAND闪存也可能成为现实。
市场与应用
NAND闪存市场
苹果电脑公司2005年9月推出ipod nano，采用NAND闪存替代微硬盘，这对NAND闪存来说是个里程碑。从此，苹果、索尼大量向三星订购NAND闪存。苹果订购三星NAND闪存产量的40%，索尼订购三星NAND闪存产量的20%。2005年全球NAND闪存市场风光无限，并盖过NOR闪存市场，见表1。Gartner预测，受MP3、闪存卡和USB驱动器需求推动，2006年NAND市场达162亿美元，比2005年增长42%，出货量增长186%，价格下跌50.3%。2006年头3个季度轻微供过于求，第3季度价格下跌，第4季度短缺。iSuppli认为，2005年NAND市场利润率大涨、销售额猛升、股票价上涨，其市场保持强劲势头。2005年3季度NAND闪存出货量大于DRAM和NOR闪存，成为手机中应用最广泛的嵌入式内存。2006年NAND闪存市场将达138亿美元，比上年增长28%。该公司调低了2006年NAND闪存市场的预测，由于2006年1季度MP3市场增长放缓和其他因素，2004—2009年NAND闪存市场复合年增长率为32%。
NAND闪存厂商
2005年全球NAND 闪存前三甲是三星、东芝和海力士，三星占市场份额55%，东芝占23%。据Gartner统计，海力士2005年NAND 闪存销售额达15亿美元，比上年增长600%，居全球
NAND 闪存市场第3位，超过瑞萨，2005年海力士股票上涨17%。2006年海力士将与东芝争第2名，增产MLC NAND 闪存。瑞萨不再开发大于8Gb NAND 闪存；尔必达提前广岛NAND 闪存厂量产日期；美光2005年进入90nm 4Gb/8Gb NAND 闪存市场,2006年向72/50nm NAND 闪存进军；2005年11月美光与英特尔成立合资厂IM Flash Tech.LLC,为苹果提供NAND 闪存，这将对三星、
东芝、海力士三大NAND 闪存厂是一个沉重打击，宣布成立当日他们股票蒸发数十亿美元。
第三节 NAND 闪存应用
低成本、低容量存储应用的首选是NAND 闪存。可抽取式存储卡、USB驱动器一直是NAND 闪存的主要应用领域。MP3播放器将成为NAND 闪存第二大应用领域。NAND 闪存其他应用包括便携式录像机、数码相机、下一代PDA、机顶盒、手持游戏机、便携式GPS系统、手机、打印机、HDTV和PC等。2006年是NAND 闪存进入PC的一年，微软Vista将推动NAND 闪存在PC的应用，主要应用于PC的EMD(外部存储器)和HDD(与硬盘一起构成混合硬盘)
第二章 NOR和NAND Flash存储器的区别
NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术,彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了NAND flash结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后,仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。
相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码,这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。
NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程序可以直接在flash闪存内运行,不必再把代码读到系统RAM中。
NOR的传输效率很高,在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益,但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。
NAND结构能提供极高的单元密度,可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。
第一节 性能比较
flash闪存是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。
由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。
执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。
● NOR的读速度比NAND稍快一些。
● NAND的写入速度比NOR快很多。
● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。
● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。
● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。
第二节 接口差别
NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。
NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。
NAND读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。
第三节 可靠性和耐用性
采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。
寿命(耐用性)
在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。
第四节 技术区别
位交换
所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见,NAND发生的次数要比NOR多),一个比特位会发生反转或被报告反转了。
一位的变化可能不很明显,但是如果发生在一个关键文件上,这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题,多读几次就可能解决了。
当然,如果这个位真的改变了,就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存,NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候,同时使用EDC/ECC算法。
这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然,如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。
坏块处理
NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。
NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理,将导致高故障率。
易于使用
可以非常直接地使用基于NOR的闪存,可以像其他存储器那样连接,并可以在上面直接运行代码。
由于需要I/O接口,NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。
在使用NAND器件时,必须先写入驱动程序,才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏
块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。
软件支持
当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化。
在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD),NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。
使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些,许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件,这其中包括M-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。
驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。
第三章 NAND FLASH 的技术
第一节 NAND FLASH 的目录
FLASH型号对照表
品 牌 型 号 容 量 简 写 备 注
HY HY27UF081G2M 128M 1G2M SLC
HY27UF082G2M 256M 2G2M SLC
HY27UF082G2A 256M 2G2A SLC
HY27UF084G2M 512M UF4G SLC
HY27UG084G2M 512M UG4G SLC
HY27UT084G2M 512M UT4G MLC
HY27UH088G2M 1GB UH8G SLC
HY27UG088G5M 1GB UG8G SLC
HY27UU088G5M 1GB UU8G MLC
HY27UV08AG5M 2GB UVAG MLC
三星 K9F1G08UOM 128M 1G08 SLC
K9F2G08UOM 256M K9F2G(UOM) SLC
K9F2G08UOA 256M K9F2G(UOA) SLC
K9F4G08UOM/UOA 512M K9F4G SLC
K9K4G08UOM 512M K9K4G SLC
K9K8G08UOM/UOA 1GB K9K8G SLC
K9L8G08UOM 1GB K9L8G MLC
K9G8G08UOM 1GB K9G8G MLC
K9WAG08UOM/U1A 2GB K9WAG SLC
K9HAG08UOM/U1A 2GB K9HAG MLC
K9LAG08UOM 2GB K9LAG MLC
镁光 29F2G08AAB 256M MT256AAB SLC
29F2G09AAC 256M MT256AAC SLC
FNNM29BMAK3WG 256M SP2.0 SLC
英飞凌 HYF33DS512800ATC 64M INF64(老版) SLC
HYF33DS512804BTC 64M INF64(新版) SLC
注：以上表格中的简写为我公司内部使用，便与填写销售申请表。
第二节 SLC和MLC的区别
AND Flash产品可以分为三大架构，分别是单层式储存格 (Single Level Cell；SLC)，包括三星电子、海力士（Hynix）、美光（Micron）以及东芝都是此技术使用者，第二种则是多层式储存格（Multi Level Cell；MLC)，目前有东芝、瑞萨（Renesas）使用，不过三星电子将在2005第四季推出相关产品，最后则是英飞凌（Infineon）与赛芬半导体（Saifun Semiconductors）合资利用NROM技术所共同开发的多位储存格（Multi Bit Cell；MBC）。
MLC是英特尔（Intel）在1997年9月最先开发成功的，其作用是将两个位的信息存入一个浮动栅（Floating Gate，闪存存储单元中存放电荷的部分），然后利用不同电位（Level）的电荷，透过内存储存格的电压控制精准读写，假设以4种电压控制、1个晶体管可存取2 bits 的数据，若是控制8种电压就可以存取3 bits 的数据，使Flash 的容量大幅提升，类似Rambus的QRSL技术，通过精确控制浮动栅上的电荷数量，使其呈现出4种不同的存储状态，每种状态代表两个二进制数值（从00到11）。
当然不光是NOR型闪存在使用，东芝在2003年2月推出第一款MLC型的NAND Flash，并接续2004年4月推出采用MLC技术的4Gbit与8Gbit NAND Flash，显然这对于本来就以容量见长的NAND闪存更是如虎添翼。根据Semiconductor Insights研究，东芝利用90nm MLC技术所开发出来的4Gb，其die面积为144 mm2。
至于SLC技术与EEPROM相同，但在浮置闸极(Floating gate)与源极(Source gate)之中的氧化薄膜更薄，其数据的写入是透过对浮置闸极的电荷加电压，然后可以透过源极，即可将所储存的电荷消除，藉由这样的方式，便可储存1个个信息位，这种技术的单一位细胞方式能提供快速的程序编程与读取，不过此技术受限于低硅效率(Silicon efficiency)的问题，必须要藉由较先进的流程强化技术(Process enhancements)，才能向上提升SLC制程技术。
将上述所言，做一个比较，SLC架构是0和1两个充电值，而MLC架构可以一次储存4个以上的充电值，因此MLC架构可以有比较好的储存密度，再加上可利用比较老旧的生产程备来提高产品的容量，而无须额外投资生产设备，可以享有成本与良率的优势。
不过MLC架构有着让使用者很难容忍的缺点，就是使用寿命较短，其次MLC架构只能承受约1万次的存取，远低于SLC架构的10万次。至于存取速度，SLC架构比MLC架构要快速三倍以上，加上MLC架构对于电力的消耗较多，因此使用者若是考虑长久使用、安全储存数据以及高速的存取速度等要求，恐怕会改采用SLC架构。
在Nand flash市场上，三星还是占有半壁江山。特别是第二季度开始，Ipod从三星定购较多的高容量产品，在后期对现货市场逐渐产生影响。特别是第四季度，合约价格也开始大幅度上涨。三星年初放出的2005年下半年整体价格下调40％成为一句空话。
表现更加抢眼的是Hynix，逐渐在1G/2G方面占有较多市场份额。特别是推出单晶圆2G后，在4G方面也逐渐发力，取得相当好的成绩。同时，在合约市场也和Ipod建立合作，抢到一些生意。让我们回顾一下整年的价格走势：市场出现明显变化的是5月份开始，需求明显转淡，也就是价格一路下跌的开始。拿2Gb来说，Hynix 出货给代理方面的价格是$10,同时还有价格保护，现在市场价格已经跌到$9.5附近。那个时候应该就是2005年价格的最低处。而1G的当时也是同时下跌，也有出现$5.6的价格，当时普遍怀疑512Gb和1Gb的价格为什么已经没有差距。更可笑的是当时市场已经传出hynix 1G厂家已经减产，代理手里有货的也是狂抛。
9月底开始进入每年的市场旺季，一般称作圣诞订单的到来。原厂已经没有货放给代理和小的OEM，一级OEM已经疯狂吃货，他们手里有很多的单需要做。同时也看到合约价格低于现货市场价格，只要拿到货那就是钱啊，比抢钱都容易。货真的缺了，货真的少了，价格也真的涨了。1Gb到$8了，2Gb升到$15了，还没有停下来，市场在疯狂，贸易商在疯狂，工厂更是在疯狂的抢货。这种疯狂的状态在进入12月份以后才逐渐平息下来。
可圈可点的还有一家：MICRON。虽然起步比较晚，目前市场占有率也不高。但是从2Gb起步应该是不错的选择。特别是第四季度出货量比较不错。导致06年货很少的时候，还有很多人想见它。micron货的价格基本是盯着HYNIX的，你涨我就涨，你跌我就跌。micron在最风光的时候，价格一度超过hynix,但仍然有市场需求，而且还不错，就是应该和三星相通用。但后来有客户说良率不怎么样，就又跌回了老路。
其他的厂家基本没有什么大的改观，有想继续做大的，还有不想做了的。不管怎么样，2005年的Nand flash战场已经清扫过来，2006年还真看不出哪家黑马会杀出来。还真希望有世界杯的陪伴能多一点玄机。
NAND Flash IC是目前存储设备，包括MP3播放器用的最多的闪存类型。NAND Flash IC比其他Flash IC更具备存储优势。许多CompactFlash卡都是采用的NAND Flash IC制造的。目前市场上有两种不同的NAND Flash IC（芯片）：SLC（Single-Level-Cell）芯片和MLC（Multi-Level-Cell）芯片。MLC芯片技术允许2 bit的数据存储在一个存储单元当中，当然SLC芯片技术就只允许存储1 bit的数据。虽然MLC成本要低于SLC，但MLC产品有读写速度慢，耗电量大的缺点，而SLC则相对的读写速度快、省电、产品寿命长，因此很多厂商都选择SLC来替代普通的MLC。
第三节 NAND FALSH的封装
是两种不同的 IC 封装技术。其中， TSOP 是市场上最普遍的封装技术，市场上大概有 90% 的 IC 都是以 TSOP 封装；然而， WSOP 的封装更小更薄，是一种更先进的封装方式。经由 WSOP 封装的内存，体积为 12mm × 17mm × 0.7mm ，大约仅有一般内存的 42% 。目前，这个由韩国三星所研发出来的 WSOP 已被视为未来内存封装的主导技术。
内存第二代的封装技术TSOP出现，得到了业界广泛的认可，时至今日仍旧是内存封装的主流技术。TSOP是“Thin Small Outline Package”的缩写，意思是薄型小尺寸封装。TSOP内存是在芯片的周围做出引脚，采用SMT技术（表面安装技术）直接附着在PCB板的表面。TSOP封装外形尺寸时，寄生参数(电流大幅度变化时，引起输出电压扰动) 减小，适合高频应用，操作比较方便，可靠性也比较高。同时TSOP封装具有成品率高，价格便宜等优点，因此得到了极为广泛的应用。
