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SLC和MLC闪存nand flsah的区别和历史

2009-09-20 13:07来源:未知编辑:冰幻 浏览量:
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    Flash闪存是非易失性存储器,这是相对于SDRAM等存储器所说的。即存储器断电后,内部的数据仍然可以保存。Flash根据技术方式分为Nand 、Nor Flash和AG-AND Flash,而U盘和MP3中最常用的内存就

      

    Flash闪存是非易失性存储器,这是相对于SDRAM等存储器所说的。即存储器断电后,内部的数据仍然可以保存。Flash根据技术方式分为Nand 、Nor Flash和AG-AND Flash,而U盘和MP3中最常用的内存就是Nand Flash。

    Nand Flash也有几种,根据技术方式,分为SLC、MCL、MirrorBit等三种。SLC是Single level cell的缩写,意为每个存储单元中只有1bit数据。而MLC就是Multi-Level-Cell,意为该技术允许2 bit的数据存储在一个存储单元当中。而MirrorBit则是每个存储单元中只有4bit数据。
    SLC的技术存储比较稳定,SLC的技术也最为成熟。然而MLC可以在一个单元中有2bit数据,这样同样大小的晶圆就可以存放更多的数据,也就是成本相同的情况下,容量可以做的更大,这也是同样容量,MLC价格比SLC低很多的原因。通常情况下相同容量的MLC和SLC,MLC的价格比SLC低30%~40%,有些甚至更低。 优盘之家

    区分SLC(停产)和MLC(现在主流,分新老制程,60NM 和56/50NM )
    1、 看Flash的型号:根据Flash的命名规则,进行区分。

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    2、 测试读写速度:SLC的非常快,MLC的很慢。 U盘之家


    SLC闪存:即单层式储存 (Single Level Cell;SLC),包括三星电子、Hynix、美光(Micron)以及东芝都是此技术使用者 U盘之家

    MLC闪存:多层式储存(Multi Level Cell;MLC),目前有东芝、Renesas、三星使用,英飞凌(Infineon)与Saifun Semiconductors合资利用NROM技术所共同开发的多位储存(Multi Bit Cell;MBC)。MLC是英特尔(Intel)在1997年9月最先开发成功的,其作用是将两个单位的信息存入一个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2bits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Floating Gat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)。 www.upan.cc

    三星与东芝这两家Flash(闪存)制造商长期统治着快速增长 的NAND Flash市场。其中三星属于最大的玩家,不断采用先进工艺尺寸,以维持竞争优势。本次主要对这两家公司的最新闪存进行比较,同时也兼顾与Hynix、美光和英特尔等公司的比照。

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    从历史来看,三星将研发重点集中在了单层单元(SLC)上。SLC架构中每个闪存单元只能存储1个比特的信息。而东芝在转向先进工艺技术方面同样积极,不过其竞争优势在于多层单元(NAND闪存方面的设计经验和能力。MLC闪存在每个存储单元存储2个比特的信息,使得东芝可在给定面积的硅片上存储更多的比特信息,并在存储器尺寸既定的情况下降低生产成本。因此,尽管东芝在工艺技术上可能落后于三星,但在裸片密度上仍是领跑者。 优盘之家

    东芝的MLC闪存已经历经数代,其中包括新近发布的采用70nm工艺的8Gb闪存。2005年,东芝曾采用90nm技术与三星的73nm技术展开肉搏。东芝90nm MLC闪存的比特密度为29Mb/mm2,远远高于三星73nm闪存的25.8Mb/mm2的比特密度。 优盘之家

    在存储密度固定时,东芝甚至拥有比三星更小的裸片尺寸。例如,东芝90nm工艺生产的4Gb NAND闪存的 裸片尺寸为138mmsup>2,与之相比,三星73nm工艺生产的4Gb NAND闪存尺寸则为156mmsup>2。这使得东芝在成本方面更具竞争力。在用于文件存储方面,NAND闪存不可避免地面临价格战,我们也常常 听到,只有价格领导者才会赢得iPod设计中标。

    虽然MLC在某些方面获得相当的认可,但如今对闪存芯片的狂热需求模糊了业界的视线。存储卡制造商需要价格低廉的芯片,但他们也需要稳定 的供货。正是基于这个原因,据报道,去年Kingston已就购买SLC芯片作为第二货源与三星进行了商谈。他们商讨该协议时,全然不顾MLC方案的成本 比SLC要低30%。 www.upan.cc

    长期以来,三星都在鼓吹SLC而非MLC型NAND闪存, 不过2004年和2005年该公司提交给国际固态电路大会(ISSCC)上提交的MLC技术论文,标志着该公司的观点发生了变化。虽然在三星的网站上仍旧 没有任何有关MLC闪存的营销信息,但该公司的确已生产出了4Gb MLC NAND闪存芯片。虽然我们已对该芯片的样品进行了分析,但要在市场中找到其样品仍旧非常困难。其裸片尺寸是156mm2,同东芝采用90nm工艺的MLC型4Gb NAND闪存相比,还是大了18mm2,因此要能与东芝相匹敌,三星在其下一代NAND MLC技术上还需要改进。

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    除了三星,Hynix等其他存储器制造商也在向MLC闪存迈进。虽然东芝凭借多年的技术积累而在MLC技术上占据优势,但英特尔与美光科技的合资企业IM Flash也有能力结合英特尔MLC技术与美光的NAND闪存,从而在MLC型NAND闪存领域迅猛发展。

    MLC闪存技术并非没有不足,实际上,在采用先进工艺生产MLC闪存方面困难重重。随着闪存技术的演进,在浮动栅(floating gate)中存储的电荷总量减少了,使得检测存储的信息变得更加困难,尤其是对MLC芯片而言,它需要识别四个电压值,而非两个。尽管如此,据报道,东芝 在70nm工艺中能够保证采用与90nm技术相同的代码纠错方案。这显示该公司并没有放慢MLC技术缩放的步伐,最少是就现在而言。

    此外,与SLC闪存相比,MLC闪存在可靠性方面存在不足。虽然对于消费者而言,可靠性不是他们关注的核心问题,但在其它消费市场却显然是一个弊端。 U盘之家

    三星正准备推出采用65nm工艺的4Gb SLC NAND闪存,其尺寸比采用73nm工艺的器件稍为紧凑。由此引发的问题是:在工艺缩放方面是否已经无计可施了? U盘之家

    如果实际情况真的如此,那么情况显得对东芝更为有利,因为目前它已经生产出70nm工艺的MLC闪存。作为权宜之计,三星转向65nm工艺 的芯片或许能够立马同东芝的90nm MLC竞争。但是东芝的70nm工艺8Gb MLC技术已取得重大成就,实现了56.5Mb/mm2的比特密度,比三星65nm工艺31.3Mb/mm2的额定比特密度要高出80%。一些并非出自东芝公司的报告暗示,该公司将会跨过65nm工艺,直接转到50-60nm线宽的16Gb闪存。当然,在成功实现低于65nm线宽的工艺,仍有一些技术障碍有待克服。

    闪存器件的工艺缩放并非易事,过去业界曾多次出现过闪存走向终结的预言。然而国际半导体技术路线图(ITRS)显示,在32nm工艺节点出现之前,在所有赌注似乎仍然都压在闪存而非任何新型替换品上。

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    有必要使在每个单元中所存储的比特数翻番,使得浮动栅技术继续前进,而这很可能推动闪存首个替代物面市,诸如相变存储器(PCM)。但是目 前闪存供应商首先必须克服现有的缩放挑战,其中包括这样一些关键领域:单元校准(cell alignment)、隧道氧化层、多晶硅层间介电质(interpoly dielectirc)、相邻单元耦合和高压晶体管设计。 优盘之家

    缩放挑战

    随着芯片尺寸缩小,改进图层之间的校准颇受关注。更小的芯片需要更低的操作电压,反过来也推动了更薄隧道电介质的需求,以将电荷传输至浮动栅或传输出浮动栅,但问题是,电介层较薄的话,可靠性就较低。
    在先进的工艺尺寸中,一个浮动栅的活动区域对存储单元晶体管的影响较小,但从控制到浮动栅的耦合比例需要保持恒定。所以,需要更薄的多晶硅层间介电质(IPD)。 U盘之家

    在有两种介电质情况下,介电常数更高(higher-k)的材料能减少有效电荷厚度,同时具有更大的物理厚度,并能维护更高的可靠性。然而,采用新型材料会给自身带来挑战,存储单元封装得更加紧密,会增加风险,导致一个浮动栅上的电荷会影响相邻存储单元的操作。

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    最后,闪存的操作依赖于较高电压来写入或擦除存储单元。需要在给定硅片面积条件且无损存储单元效率的条件下,设计和应用能够转换电压的控制晶体管。

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    东芝的新型芯片集成了很多有趣的特性。当然,基本的存储单元结构已经缩降至90nm以下。东芝在90nm工艺上引入了完全自校准存储单元, 并且继续用于70nm工艺。隧道和多晶硅层间介电质同样降低了。为了减少干扰,对浮动栅的高度也作了优化。MLC技术在这方面需要更多关注,因为要从存储 单元中读出4个状态,所以感应(sensing)边界更小。 www.upan.cc

    在存储列阵方面,东芝转而采用新型的沟槽蚀刻工艺处理来实现浅槽隔离(STI)。70nm工艺中更小的间距要求东芝使用两个沟槽深度。存 储阵列深度对隔离性能的要求较低,以便闪存单元能够排列得更加密集。控制晶体管——特别是那些用于控制写入/删除电压的晶体管,需要更好的电压隔离特性。 所以,他们要更深一些。
    沟槽填充方式也发生了改变;现在使用一种新型沉积材料进行两步处理。在90nm工艺中,采用钨(tungsten)触点来代替多晶硅。也许最显著的一个创新是采用了一种新颖的电容器结构。

    所有这些改进加在一起,相当于一个大小仅为0.020μm2的物理单元,换言之,保存1个比特信息仅需0.010μm2。相比较而言,三星的73nm技术保存1个比特信息则需要0.021μm2,而三星的65nm 4Gb器件保存1比特信息预计要0.017μm2。

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    体系架构上的改进

    东芝的70nm NAND闪存还包括一些架构上的改变,包括焊盘布局和排列结构的调整,旨在减小裸片面积。东芝的焊盘设计是单面的,也就是说所有的焊盘都位于芯片的一边。 这与其它大多数NAND闪存大相径庭,后者上下两面都分布着焊盘。

    焊盘全部移到裸片的一边就不再需要两面都设计焊盘条,芯片尺寸随之减小。为了获得单面布局的最大好处,对阵列结构作一些变动,从而能有效地访问芯片的上部或在芯片的边上远离焊盘的存储单元,并为其供电。为了更大程度地减小芯片尺寸,东芝还将改变了其冗余管理方案。 U盘之家

    在单个存储地址存储2个比特的信息,要求感应电路能够分辨出四个电压等级的差别。自然地,要读取存储单元信息的感应放大器需要进行优化,从而为与单层感应相比所存在的较低的噪声裕量提供补偿。接下来的事情,就是为四个不同等级的电荷编程。

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    东芝选择了步步为营的方法,其中包括运行一系列“即编程即验证”的循环,直到获得期望的程序状态。 我们的分析检查了用来写入四个状态的时序和电压。 优盘之家

    实际上,该方法是东芝的闪存合作伙伴Sandisk所开发出来的,并授权东芝采用其专利编程方法。东芝与Sandisk在MLC芯片的研发和生产上已经合作多年。毫不奇怪,两家公司都积极申请与MLC技术相关的方法、电路和结构方面的专利。

    然而,我们却惊奇地发现,三星在MLC领域的专利申请也相当积极。2002年三星和Sandisk之间达成了一项交叉授权协议,双方在2009年之前不会提起任何专利争端。不过,如果三星被卷入MLC价格战,问题也许会再次提上日程。
    也许仅是巧合,ITRS计划转向每单元4比特存储的时间也是2009年。既然有关MLC知识产权的争端还没有最后掀起,那么现在还很难说谁更强。 优盘之家

    尽管有这些比较,三星始终还是NAND闪存市场的佼佼者,并且极具竞争力。虽然东芝依靠在MLC技术上的积累,东芝获得了些许优势,但三星已被证明是一个斗志顽强、勇往直前的对手。让我们拭目以待:在未来几年中,为了追赶MLC技术,三星会不懈努力。

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    三星和东芝还承受着后来者的压力,如Hynix公司,后者于2004年2月开始发售其首批NAND产品,就非常成功地从DRAM转向到闪 存。2005年Hynix利润增加了525%,并且与两个领军公司争夺市场份额。同时,英特尔与美光的合资又诞生了一个强有力的市场竞争者,而英飞凌也开 始显示出令人鼓舞的利润增长。

    这些公司使得NAND市场的竞争更加激烈;但是至少在目前,三星和东芝仍然是市场和技术的领先者。

    对于我们消费者而言,最关心的就是产品的质量问题,因此,网上流传很多说法,好像只有使用SLC闪存的产品才是质量好的产品,其实不尽然,产品的质量好坏第一个关节是采用的物料的好坏,第二个关节是厂家是否在生产过程中偷工减料。这两者都是很重要的。再其次,就是产品的成熟程度,一般刚推出来的产品一般都会存在一些不为人知的问题,只能靠以后的不断改进才能使产品日趋完善 U盘之家

    随着MP3、MP4控制芯片的更新换代和软件控制技术的更新,克服了很多难关,目前对于MLC闪存芯片的架驽能力已经很成熟了,再加上MLC闪存生产技术的改进,因此目前很多厂家(包括IPOD)都采用MLC闪存用于消费类数码产品的生产,尤其是大容量的数码产品,非它不可.

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    SLC和MLC闪存nand flsah的区别:http://www.upan.cc/technology/technics/2009/SLC_MLC_nand_flsah.html

     

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