芯片行業(yè)正在向3D轉變，NOR Flash也不甘落后
當下，3D芯片成為了業(yè)界應對晶體管密度提升與先進制程微縮高成本之間矛盾的首選方案，無論是芯片制造，還是封裝，無論是邏輯芯片，還是存儲器，在高端應用領域，都在向3D轉變。
特別是在存儲器方面，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。在這樣的趨勢下，市場容量不如NAND Flash，但又憑借其獨有的特性，在市場上不可或缺的NOR Flash，也開始向3D方向發(fā)展，不過與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？下面簡單介紹一下。
NOR Flash的價值及市場格局
1988年，英特爾正式推出了NOR Flash，結合了EPROM與EEPROM這兩項技術，改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。NOR Flash具有芯片內執(zhí)行（XIP）和高可靠性等特點，但壽命相對較短，其在小容量應用方面具有很高的成本效益，在功能機時代，憑借NOR+PSRAM架構稱霸一時，其中，NOR Flash用來存儲代碼和數(shù)據(jù)，PSRAM 作為MCU和DSP執(zhí)行運算時的數(shù)據(jù)緩存。
NOR Flash主要分為串行和并行兩種，串行NOR Flash的特點是接口簡單、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，但已成為市場和應用的首選。而與NAND相比，NOR的成本較高，容量小，且寫入速度慢，傳統(tǒng)上，主要用于功能手機、電視、機頂盒、USB Key等小容量代碼存儲。
市場規(guī)模方面，NAND約占42%，而NOR只有3%；制程方面，NOR對先進節(jié)點的要求不高，目前，量產(chǎn)的先進制程為55nm和65nm，當然，這些都是傳統(tǒng)的2D工藝。
雖然NOR的擦除和寫入速度相對較慢，但其讀取速度非?？欤@也是它能夠在應用中安身立命的核心價值所在。
目前，全球90%的NOR Flash市場被旺宏、華邦電、美光、Cypress（已經(jīng)被英飛凌收購）和兆易創(chuàng)新這五大廠商占據(jù)。全球范圍內，高容量的NOR Flash主要由美光和Cypress提供，主要用于汽車、工控和航天領域；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，正在向高端領域過渡和發(fā)展。旺宏、華邦和兆易創(chuàng)新這三家更專注于消費類電子產(chǎn)品市場。
在應用方面，過去兩年，隨著AMOLED、TWS藍牙耳機和TDDI這三大應用市場的爆發(fā)，為NOR Flash發(fā)展提供了絕佳的契機，因為這些應用的需求與NOR Flash的特性高度吻合，從而為其市場擴充創(chuàng)造了條件。
而汽車電子的發(fā)展方興未艾，且市場規(guī)模巨大。由于NOR Flash具有成本優(yōu)勢，且可靠性更好、供貨穩(wěn)定，使得高容量的NOR Flash在汽車電子中被廣泛應用。從最初的車用廣播需要1Mb的低端NOR，發(fā)展到中控系統(tǒng)搭載128Mb——256Mb的。
IHS預計2022年汽車電子市場規(guī)模將達到1602億美元，其中增速最高的是ADAS，2022年將達到214.47億美元，年復合增速達到20.27%。ADAS系統(tǒng)中的行車記錄、導航、影像、車道偏移警示等功能，普遍需要采用512Mb的NOR Flash，尤其當儀表盤轉換成電子式之后，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。汽車電子的快速增長將帶動車用存儲器需求的跟進。
可以說，汽車電子市場的巨大發(fā)展?jié)摿?，是NOR Flash頭部兩強（華邦電和旺宏）發(fā)展NOR Flash，特別是重金投入最先進 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芯片都配置有內置或外接的NOR，用以存儲耳機系統(tǒng)代碼。內置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作為單獨的存儲芯片，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于智能手環(huán)。手表SoC的面積也較大，足夠支持NOR內置， 如蘋果手表的S6芯片。智能手環(huán)則因為主控芯片性能較弱，而且SoC面積較小，不足以支持NOR內置， 常采用外置NOR。
AR/VR作為下一代移動終端計算平臺，對計算要求相當高，相當于一臺獨立的PC機。性能較高的AR/VR設備通常會配置一顆64-128Mb的NOR。AR/VR啟動系統(tǒng)的相關代碼需要存放 在NOR里。
AMOLED面板生產(chǎn)一致性問題，導致AMOLED面板需要后期外部校準，記錄這些問題像素的行列位置和亮度差異值，經(jīng)過后期計算得出需要補償?shù)碾妷?電流值，并將這些信息寫入面板模組中外置的NOR。模組IC會根據(jù)NOR中的補償信息，實現(xiàn)一致性的顯示效果。外置光學補償是最常用的Demura。NOR的需求隨顯示屏分辨率的上升而同步增長。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設備不需要復雜的計算功能，核心是連接速度。通常，小容量的NOR在loT中被廣泛地用于存 儲啟動和運行系統(tǒng)的操作代碼。智能音箱在音樂播放基礎功能之外具有基于語音識別的多重功能，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語音服務。NOR的快速讀取有助于減小延遲并加快智能音箱 的啟動。Amzon Echo Show的16Mb NOR主要用于存儲引導程序和操作系統(tǒng)內核文件。無線路由器作為連接2個或多個網(wǎng)絡的硬件設備，在loT中居于核心地位。普聯(lián)路由器N300 Nano 的8 MB NOR主要用于存儲引導程序，開啟運行代碼。
汽車不同于手機，熄火駐車后立即關閉主控電子系統(tǒng)，而每次發(fā)動則需要快速啟動ADAS系統(tǒng)界面。車載 系統(tǒng)的快速啟動對代碼的快速讀取有要求，而NOR在此方面具備天然優(yōu)勢。車載應用對NOR的溫度區(qū)間要求至少達到“-40℃-105℃”，滿足諸如AEC-Q100車規(guī)認證。車用級 NOR在可靠性要求方面必須達到0dppm，遠高于消費類應用的100-200dppm。單臺車也可以配置多個獨立的ADAS系統(tǒng)，組成更復雜和可靠的自動駕駛系統(tǒng)。單個ADAS系統(tǒng)需相應配置一顆或多顆NOR以實現(xiàn)更復雜的功能，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調用，F(xiàn)PGA和SoC在每次系統(tǒng)啟動時需要進行配置。不同于NAND和 SD卡，NOR可以在5G設備的初始響應和啟動時提供更高可靠性和更低延時的啟動配置支撐。同時 工業(yè)級或車規(guī)級的NOR可以運行在（-40°C-105°C）的惡劣環(huán)境，并能在市場上存活10年或更長 時間，滿足5G基站對產(chǎn)品必須具備“高容量+高性能+高可靠”特性。目前，5G設備中運用的MirrorBit技術與浮柵技術相比支持更大的密度縮放。更高的密度可實現(xiàn)5G 無線基礎設施所需的單芯片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存儲器。
目前智能手機主流攝像頭主要在對焦速度和暗光拍攝成像質量上具有一定缺陷。未來消費電子攝像頭升級 有3大趨勢。1）多攝協(xié)同；2）相位對焦或全像素對焦技術提升；3）像素提升。攝像頭數(shù)量和拍攝質量的升級對企業(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 專用圖像內存將在未來成為標配，成為NOR在消費電子領域的一大增量需求。
兩強研發(fā)3D NOR Flash
目前來看，英飛凌有意縮減NOR Flash產(chǎn)能、美光也走向高品質小產(chǎn)能的路線，而全球NOR Flash前兩強華邦電和旺宏仍持續(xù)固守NOR Flash戰(zhàn)場，特別是汽車電子市場。
最近，旺宏董事長吳敏求表示，NOR Flash制程走到45nm已不易再微縮下去，因為成本會大幅提升。但汽車電子及人工智能等新應用需求將推升NOR Flash市場持續(xù)增長，旺宏已投入3D NOR Flash研發(fā)，以跨越無法微縮的障礙。
NOR Flash約占旺宏總營收的50%。
吳敏求看好2022年NOR Flash市況，特別是汽車芯片缺貨會持續(xù)到2022年，所有與汽車有關的大客戶都來找旺宏，使其NOR Flash缺貨情況將一直延續(xù)到明年，價格也將調漲。
據(jù)悉，旺宏在NOR Flash方面的創(chuàng)新包括投入垂直2T架構制程并轉為低功耗，通過3D堆疊達到高密度，采用micro heater技術提升產(chǎn)品耐久性。該公司計劃兩年內推出3D NOR Flash，預計采用45nm制程工藝。
據(jù)悉，旺宏在2Gb及4Gb先進NOR Flash技術方面已搶得先機，將在明年陸續(xù)推出相關產(chǎn)品。
工藝方面，旺宏推出了AND架構，這是一種早期的閃存電路技術，可提供位級訪問，類似技術已經(jīng)應用于環(huán)柵 (GAA) 3D NAND 結構的堆疊工藝。
與典型的3D NAND閃存一樣，這種3D NOR堆疊單元是通過在氧化物和氮化物層的多層夾層中打孔然后填充深孔來形成的。不過，旺宏的實驗架構不是由多晶硅構成的均質圓柱體，而是由幾個不同的異質結形成的，其中兩個是 N+ 摻雜的，用作多個堆疊晶體管的源極和漏極，中間由氮化硅絕緣體柱隔開。
圖：3D AND Flash結構
在AND結構中，每個晶體管都具有成對的源極線和正交的漏極連接位線。源是單獨解碼的，而不是有一個公共源。多晶硅“插頭”連接每個堆棧中晶體管的源極和漏極。為了像NOR Flash一樣運行，該結構需要采用一些電路級和編程技術。
最初，旺宏是在一個8層結構上開發(fā)的，目前已經(jīng)完成了34層堆棧的工作，這似乎是可行的。旺宏認為，在70層以上時，該公司提出的3D NOR Flash將挑戰(zhàn)20nm半間距的兩層交叉點相變存儲器。進一步的改進可能來自鐵電晶體管，它允許更低的電壓操作和更快的寫入速度。
下面看一下全球NOR Flash龍頭華邦電。該公司也在45nm制程NOR Flash方面投入了巨資，容量大概是32Mb - 2Gb。
該公司認為，在大多數(shù)閃存供應商看來，對于NOR Flash而言，45nm很可能是最后一個技術節(jié)點了，與之相比，SLC NAND Flash還有制程微縮空間，在24nm之后，至少還可以進一步微縮一代制程。
相對于旺宏，華邦電雖然也在先進NOR Flash方面進行投資，但力度似乎不如前者那么大，其更側重于采用先進制程的NAND Flash的研發(fā)。因為自從2008年45nm制程NOR Flash出現(xiàn)后，就再也沒有更先進制程的產(chǎn)品出現(xiàn)，其制程進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堆疊技術路線一樣，還有待觀察。
結語
當下，NOR Flash遇上了很好的發(fā)展機遇，無論是過去的兩年，還是未來幾年，各種新興應用都呈現(xiàn)了，或即將呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，這給局限與特色同樣凸出的NOR Flash提供了廣闊的增長空間。未來幾年，采用傳統(tǒng)制程工藝的2D NOR Flash仍將是市場的主流，而隨著汽車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，就看中國臺灣地區(qū)這兩大NOR Flash玩家的了。
