3G时代的存储器众生相-基础电子

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3G带来的人们对移动多媒体功能的需求，让半导体存储器市场获得了持续的活力，在市场头绪没有理清之前，所有的参与者似乎都有机会。

2005年，中国3G网络将商用，这无疑给手机制造商提供了一个新的机会，3G手机等新兴应用更是为存储器厂商留下了巨大的想象空间。伴随着手机从2G演变到3G，其对存储器的需求也在不断提升中，存储器子系统在整个手机系统中变得越来越重要，其成本已逐渐超过基带处理器的成本，而存储容量依然在继续攀升中，如图1所示。

图1，在2G、2.5G、2.75G到3G手机的不断发展过程中，手机存储器的容量和出货量都在不断攀升。

与存储容量的攀升相适应，手机存储器的架构也发生了巨大的变化。在中低端手机中，多数采用NOR闪存和SRAM分离器件的架构，在此种存储子系统中，NOR闪存主要用来存储代码，SRAM用作数据缓存。对于3G手机，由于3G网络带宽的增加，使手机整合了更多的功能，如MP3、拍照、图像传输与处理等，3G手机对存储器子系统有了更高的要求，如高密度、低成本、小体积等，NAND、PSRAM（伪静态RAM）、LP-SDRAM（低功耗SDRAM）等新型存储器越来越多地被应用于手机中。同时，为了追求低成本、低功耗和小体积，集成了多种不同类型存储器的多芯片封装（MCP：Multi-chipPackaging）器件也将逐渐流行。手机存储器类型见图2。

图2，为了满足3G手机存储子系统大容量、低功耗、小体积等要求，各种新型存储器被越来越多地用于手机中。

闪存：半导体市场的新宠

消费电子市场的使闪存取代了DRAM，成为半导体产业的新宠，3G手机等新兴应用更是闪存市场快速发展的助推剂。在NOR和NAND两种闪存技术快速发展的背后，各个厂商之间展开了激烈的竞争。英特尔（Intel）、AMD和意法半导体（STMicroelectronics）曾是的NOR器件供应商。然而随着AMD与富士通（Fujitsu）的合资公司Spansion的成立，其很快挤掉了英特尔在闪存市场的霸主地位，一跃成为NOR闪存市场的老大，而在整个闪存市场也位居第二。NOR供应商见表1。

表1，NOR供应商市场

对于NOR的市场需求情况，Web-Feet研究公司预测，对NOR的比特需求每年将增加约10%，而在可预见的将来，对NAND的需求每年将增长约300%。因而可以想见，NAND将是存储器厂商更加期待的一个市场。从图3可见，老牌厂商三星和东芝依然占据着大部分的市场份额，但巨大的市场空间吸引了更多的重量级企业杀入了这个领域。瑞萨（Renesas）、英飞凌（Infineon）、意法半导体、韩国Hynix半导体以及美光（Micron）也都在生产NAND型器件，向三星和东芝-SanDisk联盟发起了挑战。业内人士认为，这些厂商的进入将引发一场“血腥”的市场份额争夺战，NAND市场正陷于老牌厂商和新竞争者的拉锯战中。

图3，从图中可以看出，虽然有更多的厂商加入NAND闪存市场的竞争，但三星和东芝依然占有该市场绝大部分的份额

美光科技移动存储器部门副总裁JanduPreez认为，NAND市场与DRAM市场十分相象，他解释说：“这有几个原因：，两者对于工艺都有很高的要求；第二，成本对两者都是至关重要的。NAND和DRAM的成本主要有两个方面，一是研发成本，二是设备成本。如果制造NAND的成本基数为‘1’，制造DRAM的成本基数也是‘1’，那么同时制造两种器件的成本大约是‘1.3’。这也是为什么主要的DRAM制造商都要进入NAND市场的原因。Micron选择采用90nm工艺制造的容量为2G的器件作为NAND市场的切入点。在2005年第三季度我们将会把工艺升级到70nm，这样我们就可以与三星、东芝竞争了。

NOR和NAND：孰优孰劣？

作为两种不同结构的闪存，有关NAND和NOR孰优孰劣、谁将压倒谁的争论从来没有停止过。在手机存储子系统中，NOR因其高可靠性和类似SRAM的宽系统接口而主要用于存储程序代码；而NAND则因其高密度和低成本而被更多地用来存储数据。

20世纪80年代中期，东芝公司发明了NAND闪存，当时该公司是将其作为硬盘驱动器的半导体等价物，因而NAND提供了高速稳定的写速度，并具有小尺寸、类似簇的擦除块，它简化了所需的媒体管理算法。NAND单元连接成很长的串行链，并把数据输出到一条具有一个引脚或数个引脚的系统数据总线，这带来了很高的硅效率（低成本），但它的缺点是随机读速度很慢。

相反，NOR闪存是由EPROM衍生出来的。在擦除操作期间，NOR采用电场，而不是紫外光来把单元的浮动门中存储的电子移走。因而它的安全性很好。NOR器件像EPROM一样，被用来存储可靠性很高的代码，而不是数据。这些应用使快速的随机读速度变得很关键，同样关键的还有高可靠性和类似SRAM的宽系统接口，它可以直接连到微处理器或微控制器的系统总线。相比之下，细粒度的成块擦除和快速的擦除时间并未引起注意；固件一般是大批更新，更新速度不重要。和NAND相比，成本高也是NOR的一大缺点。

记住了这些区别，就更容易理解英特尔公司初在闪存市场的成功了。英特尔自从1971年发明EPROM以来，一直是该市场的。从1988年英特尔公开进军闪存业务的天到2002年，它一直坐在闪存市场的把交椅上。因为从一开始，NOR闪存就有大量现存的EPROM插座可供利用。当1991年首次实现了用于PC的闪存BIOS时，NOR闪存经历了次需求大增长。然后，当数字蜂窝电话出现时，NOR市场真正变大了。

而随着数码相机、PDA、MP3、智能手机等数码便携产品的快速普及，NAND闪存也得到了快速发展。PDA已经开始转向类似PC的“NAND加DRAM”、“存储和”的存储器模式。随着手机的操作系统和应用软件的规模继续迅猛增加，存储在手机中的数据量不断增大，NAND闪存阵列较低的总成本变得越来越引人注目。NAND闪存的每比特成本低、引脚数量少、写性能高等特点将有力地激励人们转向它。各种数据显示，到2006年，对NAND芯片的需求量将超过主要用于程序代码存储的NOR闪存市场。

美光科技通讯产品市场部中国区经理张卫农认为，从手机长远的发展趋势来讲，应该是向着NAND+MobileSDRAM的方向发展，这点在高端的3G手机和PDA中尤其明显。

NOR和NAND走向融合

NOR和NAND在技术上各有优势，也都各有不足。能否将这两种技术的优势相结合，推出存取速度、容量和成本方面都具有优势的产品？事实上，无论是NOR闪存市场的老大Spansion公司，还是NAND闪存的头把交椅三星电子都已经在这样做，并且是基于各自的看家技术。

Spansion的战略是创建一个超越传统内存和存储界限的全新ORNAND架构，这使得客户有机会大幅提高下一代数字设备的功能。ORNAND闪存架构是将NOR和NAND各自的优势集成在同一个基于MirrorBit技术的产品中。MirrorBit是一种基于NOR的技术，能够在一个闪存单元中存储两个或者更多位的数据。Spansion公司副总裁兼无线产品事业部总经理AmirMashkoori说，将NOR的代码执行能力和NAND的数据存储能力有机的结合、优势互补开发的新型ORNAND闪存可以满足整个闪存市场的需求。Spansion的批新型ORNAND产品预计于2005年面世，它的突发脉冲式(Burst)写入速度将比现有的NAND产品高4倍。

与Spansion不谋而合的是，三星也推出了用于手机的90nm工艺1GbitOneNAND闪存，该闪存在NAND的基础上融入了NOR闪存的特性。OneNAND是一种面向手机统一存储的专用内存。它兼具NOR闪存的高速数据读出功能和NAND闪存的数据存储密度。三星表示，这种单芯片基于NAND架构，具有集成式缓存和逻辑接口，可以保持高达108MB/s的数据传输速度。OneNAND具有一个66MHz的同步接口和高速缓存读出功能，增强了在高达108MB/s传输速度下的读出性能，据称其读出速度是普通NAND内存的四倍。

三星一直试图借助其在DRAM和闪存市场的领导地位，在专用内存领域建立事实性标准。三星的OneNAND闪存于2003年推出，已被10余家公司所采用。它的应用领域包括手机、PDA、DSC、DTV、游戏机和导航系统。

DRAM胜出，SRAM淡出

在早期的手机产品中，标准的6T（六晶体管）SRAM作为数据的缓存，它和NOR闪存共同支撑起了手机存储器子系统。但当手机的功能不断增多时，就需要越来越多的缓存去支持它。然而SRAM因其存储密度小、成本高、体积大等固有的缺陷将无法满足3G手机对存储子系统的要求，因而PSRAM、LP-SDRAM等各种新型低功耗1T（单晶体管）存储器将会成为手机存储器的主流。1T存储器的特点是只需要一个晶体管就能储存一个bit位，而标准的6TSRAM需要六个晶体管储存一个bit位。赛普拉斯（Cypress）半导体公司亚太区市场开发经理李凡认为，在中国市场，如果3G手机被广泛采用，PSRAM和LP-SDRAM会在收入和发货量上经历一个大的增长。

PSRAM是在SRAM基础上发展起来的新型存储器，它是包含一个SRAM接口的专用DRAM。PSRAM具有高密度存储器阵列和类似SRAM的特性。目前，它包括CellularRAM、COMORAM、UtRAM三种规格。

然而如果要追求更高的存储密度，LP-SDRAM是与PSRAM相比更具成本优势的技术，它比PSRAM具有更高的带宽和容量，但功耗也更大。“LP-SDRAM与PSRAM的另一个区别在于，PSRAM与NAND的接口便利性上不如LP-SDRAM，LP-SDRAM与NAND之间可以实现更高的接口速度。”光美科技JanduPreez说。

对于SRAM、PSRAM和LP-SDRAM的发展趋势，赛普拉斯公司应用工程师金守嘉认为：“SRAM今后在一些对于存储密度要求不高的传统手持和高速通信领域还将继续存在，但市场增长不大；PSRAM在一些中高端手机产品上已经得到了应用，它将会成为手机存储器的主流技术；而LP-SDRAM现在已经生产出样片，它也将会成为手机存储器的主流技术。用户会根据对容量的需求而考虑选择PSRAM或LP-SDRAM。”PSRAM在2.5G手机市场的增长为明显。在3G手机设计中，PSRAM也会成为赢家，但手机厂商不会轻易决定采用这种内存。高端3G手机包括视频流或者回放功能，以及标准的MP3/WMA音频和JPEG功能，可能要求设计人员在PSRAM和新兴的LP-SDRAM之间进行仔细权衡。后者已广泛用于PDA产品。

表2，低功耗存储器的性能比较

PSRAM阵营三足鼎立

iSuppli预测，到2005年PSRAM将成为在手机市场占主导地位的内存类型。面对PSRAM技术背后巨大的商机，内存厂商各自结盟，现在已形成欧美、日本、韩国三大阵营竞争的态势：包括赛普拉斯、英飞凌、美光和瑞萨科技组成的CellularRAM联盟；由东芝、NEC、富士通等日系厂商组成的COSMORAM联盟；以及韩国两大内存厂三星及Hynix组成的UtRAM联盟。美光科技的JanduPreez说：“三者并非是截然不同的技术，大家都是解决同样的问题，甚至是采用同样的方法。”

CellularRAM联盟初由英飞凌和美光组成，赛普拉斯于2002年9月加入，而瑞萨于2004年年初加入。CellularRAM有异步和同步两种可供选择，在读写操作中支持NOR闪存兼容的页面模式和全同步突发模式，可使峰值带宽高达每秒208MB或每秒1.5GB。CellularRAM器件集成了多种低功耗功能并具有落入式兼容性，从而与异步低功耗SRAM具有相同的电压范围、封装及球栅分配。这种可兼容的架构使设计人员能够从SRAM顺利过渡到CellularRAM产品。据瑞萨介绍，目前16Mbit、32Mbit、64Mbit和128Mbit的产品都已经面世，并且瑞萨正在计划开发256Mbit的CellularRAM。

与之竞争的联盟COSMORAM（Co-mmonSpecificationsforMobileRAM，移动RAM通用规范）是2003年2月出现的，它由东芝、NEC和富士通组成。IntegratedSiliconSolution公司也追捧符合COSMORAM规范的PSRAM。东芝、NEC和富士通的合作关系始于1998年末在“闪存加SRAM”多芯片架构领域的合作，COSMORAM是这种多阶段合作的产物。遗憾的是，COSMORAM在引脚分配及其它方面与CellularRAM不兼容。目前，东芝已投下赌注，推动256Mbit的COSMORAM，并已开发出128Mbit的产品，可以采用0.175微米工艺生产。

而三星和Hynix所开发的UtRAM技术，采用由单一晶体管与电容所组成的低耗能储存单元，完全与标准SRAM兼容，目前样品已出货给客户。三星日前开发出的八裸片多芯片封装中，即采用了一片128MbUtRAM和一片64MbUtRAM。

JanduPreez说：“CellularRAM引进的突发脉冲技术使数据存取速度更快，而COSMORAM只是在2004年9月的第三版标准中才就突发脉冲达成一致。”

图4，PSRAM、LP-SDRAM（MobileSDRAM）和LP-DDR（MobileDDR）的市场容量将显著增长。

更高的集成度——MCP和SIP

在目前中低端手机中，为了保证低成本，主要采用SRAM和闪存分离的存储器架构。而随着手机向高端发展，分离架构将逐渐被淘汰，越来越多的厂商会采用将SRAM和闪存集成在一起的MCP器件。MCP是在一个塑料封装内纵向堆叠大小不同的各类存储器和非存储器元器件的单封装混合技术，由于它比分离器件具有更小的体积和功耗，备受手机制造商的青睐。“目前赛普拉斯的低功耗SRAM产品90%以上都是向英特尔、意法半导体这样的闪存厂商提供裸片（die），再由他们将捆绑好的产品提供给手机生产厂商。”赛普拉斯的金守嘉说。美光科技移动内存产品经理PaulDlugosch也认为，从长远来看，随着手持设备功能的增加，存储器将逐渐过渡到集成了移动DRAM和NAND闪存的多芯片封装产品。据介绍，从成品率和研发成本的角度考虑，美光和赛普拉斯一样，不自己生产MCP，只是为MCP厂商提供裸片。

Spansion公司副总裁王光伟介绍，除提供NOR闪存产品以外，对于手机需要的其他类型存储器，Spansion将会根据客户的需求，采用MCP技术，将SRAM、PSRAM等存储器与闪存集成在一起，提供给客户。意法半导体存储器产品部中国技术应用中心资深经理康波说，基于单片存储器方案，ST还推出了面向手机市场、基于NAND和NOR的MCP存储器系统