芯片行業(yè)正在向3D轉(zhuǎn)變，NOR Flash也不甘落后

當(dāng)下，3D芯片成為了業(yè)界應(yīng)對(duì)晶體管密度提升與先進(jìn)制程微縮高成本之間矛盾的首選方案，無(wú)論是芯片制造，還是封裝，無(wú)論是邏輯芯片，還是存儲(chǔ)器，在高端應(yīng)用領(lǐng)域，都在向3D轉(zhuǎn)變。

特別是在存儲(chǔ)器方面，3D NAND Flash已經(jīng)深入人心，各大廠商都在將主要精力和資源投入到這方面的研發(fā)和生產(chǎn)，而傳統(tǒng)的2D NAND Flash正在逐步退出歷史舞臺(tái)。在這樣的趨勢(shì)下，市場(chǎng)容量不如NAND Flash，但又憑借其獨(dú)有的特性，在市場(chǎng)上不可或缺的NOR Flash，也開(kāi)始向3D方向發(fā)展，不過(guò)與3D NAND Flash相比，3D NOR Flash仍然處于起步階段，只有行業(yè)頭部廠商，如旺宏（Macronix）和華邦電（Winbond），在大力投入研發(fā)，其它廠商多處于觀望階段。

那么，NOR Flash的魅力體現(xiàn)在哪些方面呢？下面簡(jiǎn)單介紹一下。

NOR Flash的價(jià)值及市場(chǎng)格局

1988年，英特爾正式推出了NOR Flash，結(jié)合了EPROM與EEPROM這兩項(xiàng)技術(shù)，改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。NOR Flash具有芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP）和高可靠性等特點(diǎn)，但壽命相對(duì)較短，其在小容量應(yīng)用方面具有很高的成本效益，在功能機(jī)時(shí)代，憑借NOR+PSRAM架構(gòu)稱(chēng)霸一時(shí)，其中，NOR Flash用來(lái)存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)，PSRAM 作為MCU和DSP執(zhí)行運(yùn)算時(shí)的數(shù)據(jù)緩存。

NOR Flash主要分為串行和并行兩種，串行NOR Flash的特點(diǎn)是接口簡(jiǎn)單、輕薄、功耗和系統(tǒng)總體成本更低，雖然讀取速度不及并行的，但已成為市場(chǎng)和應(yīng)用的首選。而與NAND相比，NOR的成本較高，容量小，且寫(xiě)入速度慢，傳統(tǒng)上，主要用于功能手機(jī)、電視、機(jī)頂盒、USB Key等小容量代碼存儲(chǔ)。

市場(chǎng)規(guī)模方面，NAND約占42%，而NOR只有3%；制程方面，NOR對(duì)先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的要求不高，目前，量產(chǎn)的先進(jìn)制程為55nm和65nm，當(dāng)然，這些都是傳統(tǒng)的2D工藝。

雖然NOR的擦除和寫(xiě)入速度相對(duì)較慢，但其讀取速度非?？?，這也是它能夠在應(yīng)用中安身立命的核心價(jià)值所在。

目前，全球90%的NOR Flash市場(chǎng)被旺宏、華邦電、美光、Cypress（已經(jīng)被英飛凌收購(gòu)）和兆易創(chuàng)新這五大廠商占據(jù)。全球范圍內(nèi)，高容量的NOR Flash主要由美光和Cypress提供，主要用于汽車(chē)、工控和航天領(lǐng)域；華邦和旺宏則以生產(chǎn)中等容量的NOR為主，兆易創(chuàng)新早期依靠低容量產(chǎn)品切入NOR市場(chǎng)，正在向高端領(lǐng)域過(guò)渡和發(fā)展。旺宏、華邦和兆易創(chuàng)新這三家更專(zhuān)注于消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品市場(chǎng)。

在應(yīng)用方面，過(guò)去兩年，隨著AMOLED、TWS藍(lán)牙耳機(jī)和TDDI這三大應(yīng)用市場(chǎng)的爆發(fā)，為NOR Flash發(fā)展提供了絕佳的契機(jī)，因?yàn)檫@些應(yīng)用的需求與NOR Flash的特性高度吻合，從而為其市場(chǎng)擴(kuò)充創(chuàng)造了條件。

而汽車(chē)電子的發(fā)展方興未艾，且市場(chǎng)規(guī)模巨大。由于NOR Flash具有成本優(yōu)勢(shì)，且可靠性更好、供貨穩(wěn)定，使得高容量的NOR Flash在汽車(chē)電子中被廣泛應(yīng)用。從最初的車(chē)用廣播需要1Mb的低端NOR，發(fā)展到中控系統(tǒng)搭載128Mb——256Mb的。

IHS預(yù)計(jì)2022年汽車(chē)電子市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1602億美元，其中增速最高的是ADAS，2022年將達(dá)到214.47億美元，年復(fù)合增速達(dá)到20.27%。ADAS系統(tǒng)中的行車(chē)記錄、導(dǎo)航、影像、車(chē)道偏移警示等功能，普遍需要采用512Mb的NOR Flash，尤其當(dāng)儀表盤(pán)轉(zhuǎn)換成電子式之后，需求量更是有所提升，在變速箱、電池模組中也都需要用到NOR Flash。汽車(chē)電子的快速增長(zhǎng)將帶動(dòng)車(chē)用存儲(chǔ)器需求的跟進(jìn)。

可以說(shuō)，汽車(chē)電子市場(chǎng)的巨大發(fā)展?jié)摿?，是NOR Flash頭部?jī)蓮?qiáng)（華邦電和旺宏）發(fā)展NOR Flash，特別是重金投入最先進(jìn) NOR Flash研發(fā)和生產(chǎn)的重要原因。

NOR 七大需求剖析

目前，主流TWS芯片都配置有內(nèi)置或外接的NOR，用以存儲(chǔ)耳機(jī)系統(tǒng)代碼。內(nèi)置NOR，即嵌入式Flash， 是將NOR與其他模塊一同集成在同一顆SoC上；外置NOR作為單獨(dú)的存儲(chǔ)芯片，存在于IC電路中，與邏 輯模塊不在同顆SoC上。

智能手表和智能手環(huán)的性能和功能的差異決定了NOR的配置不同。 通常情況下，高端智能手表的主控芯片功能強(qiáng)于智能手環(huán)。手表SoC的面積也較大，足夠支持NOR內(nèi)置， 如蘋(píng)果手表的S6芯片。智能手環(huán)則因?yàn)橹骺匦酒阅茌^弱，而且SoC面積較小，不足以支持NOR內(nèi)置， 常采用外置NOR。

AR/VR作為下一代移動(dòng)終端計(jì)算平臺(tái)，對(duì)計(jì)算要求相當(dāng)高，相當(dāng)于一臺(tái)獨(dú)立的PC機(jī)。性能較高的AR/VR設(shè)備通常會(huì)配置一顆64-128Mb的NOR。AR/VR啟動(dòng)系統(tǒng)的相關(guān)代碼需要存放 在NOR里。

AMOLED面板生產(chǎn)一致性問(wèn)題，導(dǎo)致AMOLED面板需要后期外部校準(zhǔn)，記錄這些問(wèn)題像素的行列位置和亮度差異值，經(jīng)過(guò)后期計(jì)算得出需要補(bǔ)償?shù)碾妷?電流值，并將這些信息寫(xiě)入面板模組中外置的NOR。模組IC會(huì)根據(jù)NOR中的補(bǔ)償信息，實(shí)現(xiàn)一致性的顯示效果。外置光學(xué)補(bǔ)償是最常用的Demura。NOR的需求隨顯示屏分辨率的上升而同步增長(zhǎng)。FHD分辨率的AMOLED屏幕通常配置8Mb的NOR，2K 分辨率的AMOLED通常配置16Mb的NOR。

loT設(shè)備不需要復(fù)雜的計(jì)算功能，核心是連接速度。通常，小容量的NOR在loT中被廣泛地用于存 儲(chǔ)啟動(dòng)和運(yùn)行系統(tǒng)的操作代碼。智能音箱在音樂(lè)播放基礎(chǔ)功能之外具有基于語(yǔ)音識(shí)別的多重功能，通常能夠作為智能家居和物聯(lián)網(wǎng) 入口，并能提供在第三方集成的OEM語(yǔ)音服務(wù)。NOR的快速讀取有助于減小延遲并加快智能音箱 的啟動(dòng)。Amzon Echo Show的16Mb NOR主要用于存儲(chǔ)引導(dǎo)程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核文件。無(wú)線路由器作為連接2個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)備，在loT中居于核心地位。普聯(lián)路由器N300 Nano 的8 MB NOR主要用于存儲(chǔ)引導(dǎo)程序，開(kāi)啟運(yùn)行代碼。

汽車(chē)不同于手機(jī)，熄火駐車(chē)后立即關(guān)閉主控電子系統(tǒng)，而每次發(fā)動(dòng)則需要快速啟動(dòng)ADAS系統(tǒng)界面。車(chē)載 系統(tǒng)的快速啟動(dòng)對(duì)代碼的快速讀取有要求，而NOR在此方面具備天然優(yōu)勢(shì)。車(chē)載應(yīng)用對(duì)NOR的溫度區(qū)間要求至少達(dá)到“-40℃-105℃”，滿(mǎn)足諸如AEC-Q100車(chē)規(guī)認(rèn)證。車(chē)用級(jí) NOR在可靠性要求方面必須達(dá)到0dppm，遠(yuǎn)高于消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用的100-200dppm。單臺(tái)車(chē)也可以配置多個(gè)獨(dú)立的ADAS系統(tǒng)，組成更復(fù)雜和可靠的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。單個(gè)ADAS系統(tǒng)需相應(yīng)配置一顆或多顆NOR以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，平均NOR容量在32-128Mb之間，高 端ADAS系統(tǒng)可配置1Gb容量的NOR。

5G基站系統(tǒng)受FPGA/SoC調(diào)用，F(xiàn)PGA和SoC在每次系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行配置。不同于NAND和 SD卡，NOR可以在5G設(shè)備的初始響應(yīng)和啟動(dòng)時(shí)提供更高可靠性和更低延時(shí)的啟動(dòng)配置支撐。同時(shí) 工業(yè)級(jí)或車(chē)規(guī)級(jí)的NOR可以運(yùn)行在（-40°C-105°C）的惡劣環(huán)境，并能在市場(chǎng)上存活10年或更長(zhǎng) 時(shí)間，滿(mǎn)足5G基站對(duì)產(chǎn)品必須具備“高容量+高性能+高可靠”特性。目前，5G設(shè)備中運(yùn)用的MirrorBit技術(shù)與浮柵技術(shù)相比支持更大的密度縮放。更高的密度可實(shí)現(xiàn)5G 無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施所需的單芯片1Gb和更高密度的NOR產(chǎn)品。每座5G基站中需搭配至少5顆1Gb容量 以上的NOR存儲(chǔ)器。

目前智能手機(jī)主流攝像頭主要在對(duì)焦速度和暗光拍攝成像質(zhì)量上具有一定缺陷。未來(lái)消費(fèi)電子攝像頭升級(jí) 有3大趨勢(shì)。1）多攝協(xié)同；2）相位對(duì)焦或全像素對(duì)焦技術(shù)提升；3）像素提升。攝像頭數(shù)量和拍攝質(zhì)量的升級(jí)對(duì)企業(yè)的圖像集成處理能力和精密算法要求提出了更高的要求。NOR作為 專(zhuān)用圖像內(nèi)存將在未來(lái)成為標(biāo)配，成為NOR在消費(fèi)電子領(lǐng)域的一大增量需求。

兩強(qiáng)研發(fā)3D NOR Flash

目前來(lái)看，英飛凌有意縮減NOR Flash產(chǎn)能、美光也走向高品質(zhì)小產(chǎn)能的路線，而全球NOR Flash前兩強(qiáng)華邦電和旺宏仍持續(xù)固守NOR Flash戰(zhàn)場(chǎng)，特別是汽車(chē)電子市場(chǎng)。

最近，旺宏董事長(zhǎng)吳敏求表示，NOR Flash制程走到45nm已不易再微縮下去，因?yàn)槌杀緯?huì)大幅提升。但汽車(chē)電子及人工智能等新應(yīng)用需求將推升NOR Flash市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，旺宏已投入3D NOR Flash研發(fā)，以跨越無(wú)法微縮的障礙。

NOR Flash約占旺宏總營(yíng)收的50%。

吳敏求看好2022年NOR Flash市況，特別是汽車(chē)芯片缺貨會(huì)持續(xù)到2022年，所有與汽車(chē)有關(guān)的大客戶(hù)都來(lái)找旺宏，使其N(xiāo)OR Flash缺貨情況將一直延續(xù)到明年，價(jià)格也將調(diào)漲。

據(jù)悉，旺宏在NOR Flash方面的創(chuàng)新包括投入垂直2T架構(gòu)制程并轉(zhuǎn)為低功耗，通過(guò)3D堆疊達(dá)到高密度，采用micro heater技術(shù)提升產(chǎn)品耐久性。該公司計(jì)劃兩年內(nèi)推出3D NOR Flash，預(yù)計(jì)采用45nm制程工藝。

據(jù)悉，旺宏在2Gb及4Gb先進(jìn)NOR Flash技術(shù)方面已搶得先機(jī)，將在明年陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品。

工藝方面，旺宏推出了AND架構(gòu)，這是一種早期的閃存電路技術(shù)，可提供位級(jí)訪問(wèn)，類(lèi)似技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)柵 (GAA) 3D NAND 結(jié)構(gòu)的堆疊工藝。

與典型的3D NAND閃存一樣，這種3D NOR堆疊單元是通過(guò)在氧化物和氮化物層的多層夾層中打孔然后填充深孔來(lái)形成的。不過(guò)，旺宏的實(shí)驗(yàn)架構(gòu)不是由多晶硅構(gòu)成的均質(zhì)圓柱體，而是由幾個(gè)不同的異質(zhì)結(jié)形成的，其中兩個(gè)是 N+ 摻雜的，用作多個(gè)堆疊晶體管的源極和漏極，中間由氮化硅絕緣體柱隔開(kāi)。

圖：3D AND Flash結(jié)構(gòu)

在AND結(jié)構(gòu)中，每個(gè)晶體管都具有成對(duì)的源極線和正交的漏極連接位線。源是單獨(dú)解碼的，而不是有一個(gè)公共源。多晶硅“插頭”連接每個(gè)堆棧中晶體管的源極和漏極。為了像NOR Flash一樣運(yùn)行，該結(jié)構(gòu)需要采用一些電路級(jí)和編程技術(shù)。

最初，旺宏是在一個(gè)8層結(jié)構(gòu)上開(kāi)發(fā)的，目前已經(jīng)完成了34層堆棧的工作，這似乎是可行的。旺宏認(rèn)為，在70層以上時(shí)，該公司提出的3D NOR Flash將挑戰(zhàn)20nm半間距的兩層交叉點(diǎn)相變存儲(chǔ)器。進(jìn)一步的改進(jìn)可能來(lái)自鐵電晶體管，它允許更低的電壓操作和更快的寫(xiě)入速度。

下面看一下全球NOR Flash龍頭華邦電。該公司也在45nm制程N(yùn)OR Flash方面投入了巨資，容量大概是32Mb - 2Gb。

該公司認(rèn)為，在大多數(shù)閃存供應(yīng)商看來(lái)，對(duì)于NOR Flash而言，45nm很可能是最后一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)了，與之相比，SLC NAND Flash還有制程微縮空間，在24nm之后，至少還可以進(jìn)一步微縮一代制程。

相對(duì)于旺宏，華邦電雖然也在先進(jìn)NOR Flash方面進(jìn)行投資，但力度似乎不如前者那么大，其更側(cè)重于采用先進(jìn)制程的NAND Flash的研發(fā)。因?yàn)樽詮?008年45nm制程N(yùn)OR Flash出現(xiàn)后，就再也沒(méi)有更先進(jìn)制程的產(chǎn)品出現(xiàn)，其制程進(jìn)一步微縮的難度不小。

因此，華邦電研發(fā)45nm制程的NOR Flash，是否與旺宏的3D堆疊技術(shù)路線一樣，還有待觀察。

結(jié)語(yǔ)

當(dāng)下，NOR Flash遇上了很好的發(fā)展機(jī)遇，無(wú)論是過(guò)去的兩年，還是未來(lái)幾年，各種新興應(yīng)用都呈現(xiàn)了，或即將呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，這給局限與特色同樣凸出的NOR Flash提供了廣闊的增長(zhǎng)空間。未來(lái)幾年，采用傳統(tǒng)制程工藝的2D NOR Flash仍將是市場(chǎng)的主流，而隨著汽車(chē)電子和人工智能的發(fā)展，給了3D NOR Flash發(fā)展空間，具體發(fā)展情況如何，就看中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)這兩大NOR Flash玩家的了。