介绍NAND、eMMC、UFS、eMCP、uMCP、DDR、LPDDR及存储器和内存区别

2022-05-26 09:48:28 admin 51

介绍NAND、eMMC、UFS、eMCP、uMCP、DDR、LPDDR及存储器和内存区别

NAND Flash全名为Flash Memory,属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device),基于浮栅(Floating Gate)晶体管设计,通过浮栅来锁存电荷,由于浮栅是电隔离的,所以即使在去除电压之后,到达栅极的电子也会被捕获。这就是闪存非易失性的原理所在。数据存储在这类设备中,即使断电也不会丢失。

根据不同的纳米技术,NAND Flash已经历了从SLC向MLC,再向TLC的过渡,正在向QLC迈进。NAND Flash凭借容量大、写入速度快等特点,广泛应用于eMMC/eMCP,U盘,SSD、汽车、物联网等领域。

NAND Flash

SLC(英文全称(Single-Level Cell——SLC)即单层式储存:SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄,在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压,然后透过源极,即可将所储存的电荷消除,通过这样的方式,便可储存1个信息单元,即1bit/cell,速度快寿命最长,价格贵(约MLC 3倍以上的价格),约10万次擦写寿命。

MLC(英文全称Multi-Level Cell——MLC)即多层式储存:英特尔(Intel)在1997年9月最先开发成功MLC,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,通过内存储存的电压控制精准读写。

即2bit/cell,速度一般寿命一般,价格一般,约3000---1万次擦写寿命。MLC通过使用大量的电压等级,每个单元储存两位数据,数据密度比较大,可以一次储存4个以上的值,因此,MLC架构可以有比较好的储存密度。TLC(英文全称Trinary-Level Cell)即三层式储存

TLC即3bit per cell,每个单元可以存放比MLC多1/2的数据,共八个充电值,即3bit/cell,也有Flash厂家叫8LC,所需访问时间更长,因此传输速度更慢。TLC优势价格便宜,每百万字节生产成本是最低的,价格便宜,但是寿命短,只有约1000次擦写寿命。

QLC(英文全称Quadruple-Level Cell)四层存储单元:全称是Quad-Level Cell,四层式存储单元,即4bits/cell。QLC闪存颗粒拥有比TLC更高的存储密度,同时成本上相比TLC更低,优势就是可以将容量做的更大,成本压缩得更低,劣势就是寿命更短,理论擦写次数仅150次。

不难看出,四种类型的NAND闪存颗粒性能各有不同。SLC单位容量的成本相对于其他类型NAND闪存颗粒成本更高,但其数据保留时间更长、读取速度更快;QLC拥有更大的容量和更低的成本,但由于其可靠性低、寿命短等缺点,仍有待后续发展。从生产成本、读写速度和使用寿命三方面来看,四类的排序都是:SLC>MLC>TLC>QLC;

目前主流的解决方案为MLC与TLC。SLC主要针对军工,企业级应用,有着高速写入,低出错率,长耐久度特性。MLC主要针对消费级应用,容量高于SLC 2倍,低成本,适合USB闪盘,手机,数码相机等储存卡,如今也被大量用于消费级固态硬盘上。

而NAND闪存根据对应不同的空间结构来看,这四类技术可又分为2D结构和3D结构两大类,浮栅晶体管是主要用于2D FLASH,3D flash主要采用的是CT晶体管,浮栅是半导体,CT是绝缘体,二者在本质和原理上就有区别。其区别在于:

2D结构NAND Flash:2D结构的存储单元仅布置在芯片的XY平面中,因而使用2D闪存技术在同一晶圆中实现更高密度的唯一方法就是缩小制程工艺节点。其缺点是,对于较小的节点,NAND闪存中的错误更为频繁;另外,可以使用的最小制程工艺节点存在限制,存储密度不高。

3D结构NAND Flash:为了提高存储密度,制造商开发了3D NAND或V-NAND(垂直NAND)技术,该技术将Z平面中的存储单元堆叠在同一晶圆上。在3D NAND闪存中,存储器单元作为垂直串连接而不是2D NAND中的水平串,以这种方式构建有助于为相同的芯片区域实现高位密度。第一批3D Flash产品有24层。

Nand Flash的加工过程:NAND Flash是从原始的硅材料加工出来的,硅材料被加工成晶圆(Wafer),一般分为6英寸、8英寸、12英寸规格不等,晶片就是基于这个wafer上生产出来的,一片晶圆可以切割出多少晶片是根据die的大小和wafer的大小以及良率来决定的,通常情况下,一片晶圆上可以做出几百颗NAND FLASH芯片。

芯片未封装前的晶粒成为Die,它是从Wafer上用激光切割而成的小片,每个Die就是一个独立的功能芯片,它由无数个晶体管电路组成,但最终可被作为一个单位封装起来成为闪存颗粒芯片。

一片载有NAND Flash晶圆的wafer,wafer首先经过切割,然后测试,测试通过后,再进行切割、封装,封装完成后会再次进行一道检测。将完好的、稳定的、足容量的die取下,封装形成日常所见的Nand 。

在wafer上剩余的,要么就是不稳定、要么就是部分损坏所以不足容量,或者是完全损坏。原厂考虑到质量保证,会将这种die宣布死亡,严格定义为废品全部报废处理。

合格的Flash Die原厂封装工厂会根据需要封装成eMMC、TSOP、BGA、LGA等产品,但封装的时候也有不良,或者性能不达标,这些Flash颗粒会再次被过滤掉,通过严格的测试确保产品的品质。

闪存颗粒制造厂商主要以三星(Samsung)、SK海力士(Hynix)、美光(Micron)、铠侠(原Toshiba)、Intel、闪迪(Sandisk)等为代表的几大厂商。在国外NAND Flash主导市场的现状下,中国NAND Flash厂商长江存储(YMTC)异军突起在市场中占据一席之地,其推出的128层3D NAND在2020年第1季将128层3D NAND样品送交存储控制器厂商,目标第3季进入投片、量产,拟用于UFS、SSD等各类终端产品,并同时出货给模块厂,包含TLC以及QLC产品,以扩大客户基础。