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汽车级SLC高质量NAND闪存IC为应用程序代码存储提供了更高密度和更低成本的新途径 ...

2018-3-22 11:03 74 0
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摘要: 每个动手系统设计人员都知道两大类非易失性闪存。NOR Flash是一款强大而可靠的内存,可以长时间存储数据。它生产的密度相当低,为256Mb或更低,并且每比特成本相对较高。NAND闪存是一种容易产生误码的存储器技术,但 ...

每个动手系统设计人员都知道两大类非易失性闪存。


NOR Flash是一款强大而可靠的内存,可以长时间存储数据。它生产的密度相当低,为256Mb或更低,并且每比特成本相对较高。


NAND闪存是一种容易产生误码的存储器技术,但具有高密度的优势 - 截至2018年2月,先进的3D NAND器件的密度可高达6Tb,并且每GB的成本极低,位。


这为设计人员提供了一个简单的,现成的经验法则来指导他们为任何给定应用选择闪存类型:


对于代码存储,请指定NOR Flash以提供可靠的性能和长时间的数据保留。它适用于密集编程/擦除循环。


对于数据存储,只要用例可以容忍高误码率,就可以指定NAND Flash提供非常高的容量,而且成本非常低。


这总结了业界对NOR和NAND使用的一般假设。就像大多数广泛持有的观点一样,这是事实 - 但只有部分如此。事实上,NOR和NAND闪存的技术正在以不同的速度发生变化,这会影响其比较优势和缺点。


今天在某些情况下,某种类型的NAND闪存IC可能比用于存储任务关键型代码的NOR闪存器件更可取。这种NAND芯片可以提供与NOR Flash IC一样可靠和耐用的性能,具有类似的耐用性,但是每比特成本不到一半。


本文将介绍这些情况,以及在所有情况下NOR Flash不能被认为是适用于代码存储的正确技术类型的原因。


为什么选择Flash技术至关重要


对于许多嵌入式应用而言,具有SPI接口的串行NAND闪存可以代替用于代码存储的SPI NOR闪存的可能性很小或根本不相关。在代码基数高达256Mb的嵌入式设计中,NAND闪存解决方案不会比等效的NOR闪存电路便宜:在256Mb及以下的低密度下,外设功能(如逻辑和电荷泵)是芯片的成本,单独的存储器阵列并不是主要组件。内存密度越低,情况就越严重。这里,与NOR存储器单元相比,NAND存储器单元的较小尺寸具有可忽略的益处。在512Mb以上的密度下,大部分裸片区域都被存储阵列占用,因此NAND闪存单元的每位成本较低,这使其优于NOR闪存。


然而,对于新兴的嵌入式应用类别,256Mb的存储容量是不够的; 这在今天正在开发的车辆系统中最明显。从先进驾驶辅助系统(ADAS)到完全自主驾驶系统的先进汽车应用将创建更大的代码库。如今,汽车系统原始设备制造商正在为存储容量高达2Gb(或256MB)的代码存储设备指定存储系统。


因此,在敏锐的成本意识环境中运行的汽车系统设计人员,将希望以更高的密度降低NOR闪存的成本,或者使低成本NAND适合代码存储。


在这里,设计师的愿望迎合了NOR Flash技术发展速度的艰难现实。


NOR进程缩放结束


工艺收缩是半导体行业经过时间考验的以更低成本提供更高功能的方法。多年来,NOR闪存IC和任何其他类型的半导体都是如此。1986年,NOR闪存制造技术的领先优势在1.5μm节点。大约二十年后,NOR Flash器件正在65nm节点上制造。


NAND Flash的工艺技术在今年持续萎缩:今天,用于智能手机和计算设备的密度最高的3D NAND闪存IC可能制造在1xnm节点上。


然而,NOR闪存缩放已经陷入停滞。实施65纳米节点已经证明比以前任何节点都要困难得多。然后在2008年,英特尔发表了一篇论文,描述了一种新的45纳米闪存制造工艺。但是到了2018年3月,大约十年之后,只有一两家制造商提供45nm NOR Flash产品。其他供应商有4xnm NOR Flash的路线图,但他们的技术仍在开发中。


业界已经发现,NOR闪存电路某些元件的尺寸将制造能力推向极限。如果65纳米是NOR缩放的减速块,45纳米似乎是一个完整的屏障,并且目前没有在该节点之外扩展NOR闪存的前景。


这意味着对于汽车系统制造商来说,由于对代码存储产生的需求不断增加,所以不会因摩尔定律导致NOR Flash每比特成本下降,而且工艺扩展也不会削弱对材料成本成本的影响从自动驾驶等先进应用的引入。


那么NAND闪存可以以更低的每位成本代替NOR闪存代替这些安全关键应用中的代码存储吗?


为了回答这个问题,我们需要了解NAND闪存IC丢失数据的机制。


NAND闪存的常见故障模式


闪存IC正常工作过程中可能会出现两种主要的误差:


  1. 写入存储器阵列时可能会发生位错误;

  2. 闪存单元的电子泄漏会在一段时间后导致数据丢失,从而产生潜在的读取错误。在极端高温下操作会加速电子泄漏,从而缩短闪存器件数据保留的平均长度。


由读取位错误引起的数据丢失风险可通过实施强健的纠错码(ECC)来消除。所有采用46纳米技术的华邦串行NAND闪存器件均附带板上1位ECC。


另一方面,电子泄漏不能被防止。但它带来的风险是什么?这只是计算电池编程后初始电子数量和泄漏率的问题。简而言之,如果一个单元以许多电子开始并以较慢的速率丢失,则在单元中的电荷下降到目前为止不能可靠读取之前需要很长时间。


初始电子计数是细胞大小的函数。如图1所示,对于任何给定的工艺节点,串行NAND单元比SPI NOR单元小。这是这两种技术的固有特性,并解释了NAND提供更低的每位成本的原因。(更小的模具是更便宜的模具。)

图1:如果NOR技术缩小到2xnm,则NOR和NAND单元尺寸与NOR单元尺寸外推的比较。如果可以生产2xnm NOR器件,其单元尺寸将与今天的4xnm串行NAND器件相似。(图片来源:华邦)(附件:参考1)


图2显示了SPI NOR和单级单元(SLC)串行NAND闪存器件的电子计数的比较。这有助于解释NOR Flash作为'可靠'存储器类型的出现。在130nm节点上制造的NOR闪存IC将包含每个电池4000个电子。保守地假设漏电率为每月1个电子或10年内的120个电子,泄漏对电池电荷水平的影响可以忽略不计。


尽管如此,电子泄漏会成为一个更严重的问题,工艺几何尺寸越小:较小的电池可以保持较少的电量。NOR Flash与NAND Flash电路一样,也是如此。


今天的1xnm MLC或三级单元(TLC)NAND闪存IC的微小电路特性可能导致在某些工作条件下指定的数据保留时间短至几小时或几天。这些领先的设备需要复杂的扫描和刷新机制来定期给电池充电。


然而,关键任务汽车应用对于长达至少十年的产品使用寿命期限内的数据丢失不承担任何责任。而汽车设计人员不想处理实施扫描和刷新功能的复杂性和风险。

图2:甚至下至3xnm节点,NAND闪存单元将包含500个以上的电子 - 所需的数量用于分类为“高质量”存储器。(图片来源:华邦)(附件:参考2)


那么,器件是否需要用作高可靠性应用的“高质量”存储器所需的最小电子计数是多少?科学文献和判断表明,每个电池500个电子可以被认为是一个质量阈值,因为假设一个电子每月损失10年后,这样的电池仍然会保留75%的存储电子。图2显示46nm和3xnm的串行NAND超过此值。


闪存存储器质量的这个门槛是由华邦开发的新一类高质量(HQ)SLC串行NAND闪存器件的性能所证实的,该器件采用华邦46纳米工艺制造。这些部件都要经过特殊的筛选和测试程序。图3显示了各种工作温度下的数据保持性能。

图3:华邦HQ系列NAND IC的数据保持性能。(图片来源:华邦)

图3显示,华邦HQ串行NAND器件的数据保留时间与当前在65nm及以下制造的NOR闪存器件的数据保持时间相当。


与高级汽车代码存储应用更相关的是,HQ串行NAND器件中的数据保持时间最长为100次编程/擦除(P / E)周期,并且工作在85°C的高温下,这是25年。在汽车应用中,代码很可能不会经历多达100个P / E周期。华邦测试数据还显示,这些器件在经过10,000次P / E周期后支持超过15年的70°C数据保持率,这与当今市场上NOR闪存产品的性能相当。


华邦HQ系列NAND闪存器件与其他类型的NAND闪存相比,具有与NOR闪存相同的成本优势,如ONFi NAND闪存。华邦HQ系列NAND Flash IC的每位成本通常低于等效SPI NOR Flash解决方案的一半,密度为512Mb及以上。


易于在汽车电路中实现


华邦HQ系列NAND部件的其他功能使其易于与NOR Flash部件集成在汽车电路中。出货时,最多可达100次P / E周期,它们保证不包含坏块。这意味着在代码存储应用中,不需要在SoC或微控制器中实现坏块管理(BBM)。当使用传统的串行NAND部件时,通常需要BBM。


Winbond器件还支持直接从串行NAND闪存启动,这要归功于附加功能,例如在加电时自动加载page-0,片上ECC和NOR闪存兼容读取命令。华邦HQ系列NAND闪存设备旨在用于包含支持SoC或主处理器的DRAM的代码遮蔽应用中。


对于从256Mb(32MB)及以下密度的SPI NOR器件迁移至512Mb或1Gb密度的串行NAND器件的设计而言,引脚和封装尺寸保持不变,从而实现从SPI NOR到串行NAND的平稳过渡。


大的成本效益,没有性能损失


超越45纳米节点的NOR Flash扩展的障碍意味着,如果汽车系统制造商决定满足使用昂贵SPI NOR闪存器件的新应用中增加的代码存储容量的要求,将面临巨大的物料成本损失。


华邦HQ系列NAND闪存部件的每位成本通常低于SPI NOR Flash的512Mb,1Gb和2Gb密度的一半,为汽车制造商提供了一种全新的方式,以更低的成本提供足够的代码存储容量,同时满足安全关键汽车系统中规定的非常高的可靠性和稳健性标准。


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