3C融合加移动应用:存储器工业发展新动力

上网时间: 2002年12月28日? 作者:倪兆明? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:闪速存储器? NOR闪存?

据SIA调查显示,闪速存储器从去年三季度开始至今,出现强劲反弹。预计2003年闪存的增长率达39%,市场总值将达110亿美元。业界人士指出,这一发展的动力,主要来自3C融合型的手机、PDA、数字相机和移动存储等应用的广泛流行。

考虑到未来的存储器在追求大容量、高速度的同时,仍将继续保持低能耗和低成本,业界对新的存储技术正在进行着不懈的探索,诸如MRAM(磁阻随机存取内存)和FRAM(铁电随机存取内存)等技术已开始崭露头角。如果说个人电脑的发展曾经繁荣了DRAM工业,那么3C融合加移动应用的兴起将为存储器工业的发展注入新的动力。

闪速存储器进入兴盛期

根据美国WEB-FEET 调研公司的统计和预测,从2001年到2004年,全球闪速存储器市场规模按营业总额计算将从约85亿美元增长到约160亿美元。其中NOR闪存从60亿美元市场规模扩大到80亿美元,而NAND闪存从7亿美元上升到约30亿美元。尽管NOR闪存在未来几年仍将是市场主导,但NAND闪存的增长速度较快。此外,嵌入式闪存的市场也将稳定增长。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="芯成半导体袁启方:未来MCP的趋势是集成SRAM、闪存、异步低功耗SRAM和PSRAM。">

从技术上来看,推动大容量闪存需求增长的具体方面是手机的数据传输从简单的语音数据包和文本信息朝更丰富的方向发展。传输速度的增加使得手机服务供应商可以提供更多的应用。手机显示屏分辨率提高、色彩更加丰富、加上图片传输和Java程序及游戏功能,使得手机中闪存的容量不断增大。目前具有4K种色彩的应用需6?Mb的闪存,而具备6?K色彩、内置MP3播放和图象存储能力的手机,所需的闪存将达到192Mb以上。预期在2003年,这些高端的应用将更加流行。

大容量闪存的应用,要求采用更先进的半导体工艺,以增加产量、降低成本。英特尔通讯及计算事业部亚太区产品行销总经理黄承德介绍道:“当今先进的的闪存已经开始采用0.13微米工艺,这使得我们可以在相同尺寸的晶园上生产更多的芯片。例如用同样一个晶园片,0.18微米工艺可以生产100颗芯片,但如果采用0.13微米工艺则可以产出250颗以上的芯片,产量一下子增加了150%! 如果再运用多级单元闪存技术(Multi-Level Cell),同样的晶园片上可产出432颗芯片。”

预计在2003年,世界主要NOR闪存和NAND闪存供应商,包括英特尔、AMD、东芝和三星公司都将采用主流的0.13微米工艺。到2004年,90纳米工艺的闪存将成为潮流。美国超捷半导体有限公司(SST)总裁,SuperFlash技术的发明人叶炳辉认为,用现有的闪存技术,工艺尺寸下降到60纳米也没有问题。

NOR闪存除了大量用于手机外,在其它3C融合产品上也有广阔发展前途。以英特尔为例,手机是第一大应用,接下来是PDA尤其是基于Windows CE操作系统的PDA,第三大应用领域是机顶盒,其次是在网络产品、ADSL、线缆调制解调器等方面。

在NAND闪存方面,世界排名第二的韩国三星公司的闪存销售形势增长强劲,预计在2003年势头不减。 三星公司认为销售额的上升主要是由于视频移动电话以及USB驱动器市场需求的拉动。不久前,三星推出了世界上第一个2Gb的NAND闪存芯片。该公司计划在2003年开始采用90纳米工艺生产NAND芯片,以增加对闪存市场的投入。 三星电子半导体事业内存部总裁Chang-Gyu Hwang表示:"新工艺首先用于生产闪存是不寻常的。采用90纳米工艺,生产成本可望下降60%,而且芯片的密度更大、耗电更小,同时合格率也更高。" Hwang认为,在今后三年里,手机和消费电子产品的成长速度将快于PC。

关于闪存产品封装趋势,英特尔的黄承德说:“目前像手机这样的便携式产品,趋势是‘轻薄短小’,这就要求有更高元器件的封装密度。由此产生一种把闪存和其它器件、如处理器等“堆叠”在一起封装技术。”闪存和其它器件封装在一起,也有利于提高产品的整体性能和可靠性。

闪速存储器的另一个增长方向是嵌入式闪存。市场调研公司In-Stat/MDR的研究发现,在高端手机和中低端的数字消费类等的应用领域,都会有嵌入式闪存的用武之地。在这方面,嵌入式闪存的市场规模从2000年到2005年的,年增长率将达26.4%。目前嵌入式闪存约3/4的应用属于低容量和指令的存储执行,但预计到2005年,这一比重将下降到约2/3。SST的叶炳辉说:“用于代码存储的(嵌入式)闪存应用范围相当广。从PC、PC外围设备、图形卡、CDROM/CD-RW/DVD驱动器等范围广泛的IT产品,到消费类电子产品,如MP3播放器、数字相机、视频游戏、数字电视,都有嵌入式闪存的用武之地。”对于兴起的移动和通讯应用,叶炳辉认为,这是一个成长非常迅速的市场,嵌入式闪存在蓝牙、GPS、xDSL、和电缆调制解调器等方面有相当的发展空间。

对于闪存的高速增长是否会重蹈过去DRAM工业的覆辙,叶炳辉提供了他的见解。他认为,在闪存的两大主要产品NOR闪存和NAND闪存中,NOR闪存主要用来存储指令代码而NAND闪存主要用来存储数据。NAND闪存越来越趋向高容量、每兆位的价格相对较低,而且应用接口在业界已经统一,各家的产品可以互换。如果进入这个市场的厂商过多同时产量供大于求,NAND闪存有可能重蹈DRAM工业的覆辙。不过对于NOR闪存,各家供应商的应用接口都不一样,产品没有互换性,厂商涌入这个市场的可能性不大,所以也就不大会发生DRAM曾经历的价格在短期内大幅下降的遭遇。

静态和动态存储技术在3C融合中获得新机会VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="超捷半导体叶炳辉:闪存的高速增长不会重蹈过去DRAM工业的覆辙。">

静态存储器(SRAM)是最早发展起来的半导体存储技术,它的优点是速度高,曾经大量用于PC和PC外围设备的高速缓存。其主要缺点是成本较高,容量低。随着现代微处理器普遍采用内置高速缓存,静态存储器作为一个独立的产品,市场空间受到挤压。不过,由于3C融合产品的逐渐兴起,SRAM也在这一领域开拓新的生存空间。对于动态存储器(DRAM),在PC市场上的海量应用已经无法再形成一个新的利润增长点,因此,延伸DRAM技术的应用范围势在必行。另外,综合各种存储技术的优势,集多种存储器于一身的多芯片封装(MCP)技术也将在未来的3C融合产品中获得应用。

对于SRAM的发展前景,芯成半导体有限公司(ISSI)中国区副总经理袁启方说:“在SRAM方面我们发现一些变化,主要是低端消费类电子中SRAM的应用有所下降,但我们对SRAM的发展前景并不悲观,因为SRAM在电讯应用方面仍有广阔前途,同时,在数字消费类产品中的前景也不错。随着半导体工艺的进步,存储器的价格也越来越便宜,人们可以更多地使用存储器来为产品添加新的功能。”

在3C融合的大潮中,SRAM技术本身也在演变,首先是出现一些低功耗、容量较大的SRAM,它们被PDA等移动式数字通讯产品所采用。在大容量应用中,成本是一个重要因素,由此出现伪静态随机存取内存(PSRAM)技术。PSRAM除了比现有解决方案有更低的成本/比特率外,还具有SRAM的管脚兼容性、而且功耗低无需外部刷新操作。另外,在DRAM基础上发展起来的低功耗同步动态随机存取存储器(SDRAM)也将在2003年获得更广的应用。袁启方认为,PSRAM有可能取代目前手机中使用的异步低功耗SRAM。对于低功耗的SDRAM,袁启方说:“很多用户,无任是做PDA的还是做手机PDA的,现在都在寻找这种产品并进行用它来替换SRAM的测试。”

由于目前各种存储技术在3C融合的移动产品中各有所长,但没有一种技术兼备价格、速度、功耗、容量、非易失性等所有的优点,同时,一些新的存储技术在2003尽管会得到初步应用,但它们离开成为主流技术还有相当距离,由此为MCP产品创造了一个很大的发展空间。袁启方说:“现在的MCP集成了32M兆的闪存和4兆的SRAM,但这只是一个基本的起点。未来MCP的一个趋势是集成SRAM、闪存、异步低功耗SRAM和PSRAM,目前看到一些日本厂商正在朝这方面发展。”随着2.5G和3G手机投入使用,要求SRAM的容量要更大、速度更高而耗电更小。单纯的PSRAM其功耗大于普通的低功耗SRAM,而纯粹使用低功耗异步SRAM,成本则过高,在高速视频应用的场合,MCP技术可以在容量、速度、功耗和成本之间达成某种平衡。

超越硅材料的存储技术VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="英特尔黄承德:手机要求更高的封装密度,由此对闪存与其它器件如处理器等“堆叠”在一起提出要求。">

混合多种存储技术的MCP的存在,实质上反映了工业界的一种无奈,因为目前还没有一种理想的,基于硅材料的半导体工艺,可以用来大量生产出具备DRAM的高容量低成本、SRAM的高速度、闪存的数据非易失性、同时可靠性高、操作电压低、功耗又小的存储器。而这些特性,恰恰是3C融合和移动应用类产品所需要的。因此,很多厂商和机构已经开始探索超越目前基于硅材料半导体工艺的存储技术,同时要求新技术采用的工艺和设备尽量和当前的半导体平面生产工艺兼容。这些发展主要有MRAM(磁阻随机存取内存)、FRAM(铁电随机存取内存)和OUM存储器(Ovonyx Unified Memory)等。

MRAM采用和硬盘类似的材料(铁-钴-镍基质薄膜)和读写原理,只是MRAM器件应用半导体平面工艺来生产,没有任何机械或移动的装置。MRAM器件也是数据非易失性的,目前已有摩托罗拉公司采用类CMOS工艺和铜互连技术生产出256Kb样片,读写周期小于50纳秒。摩托罗拉计划于2003年推出1Mb的MRAM样片。市场调研公司Semico非易失性产品部总监Jim Handy说,“数十年来,设计工程师一直在寻找非易失性、廉价、速度快且低功耗的存储器。现在广泛采用的DRAM、闪存及SRAM,或多或少能达到一两项上述要求,但是尚未有一种存储技术能满足所有的要求。摩托罗拉在MRAM技术上的进展似乎能让我们更加接近这个理想的终极目标。”

FRAM技术的核心是集成到芯片中的微小铁电晶体。铁电晶体的电极化可由施加在电容两端的电场变化来实现。芯片内的电路能够感应电极化的方向从而判断0-1信息。FRAM技术已经存在若干年,但一直应用在很狭窄的领域内。3C融合产品的发展似乎为FRAM大量应用创造了条件。目前德州仪器公司(TI)和瑞创国际公司 (Ramtron International Corporation)正携手开发这一技术。采用COP技术(capacitor-on-plug)和标准0.13微米CMOS工艺,TI已经成功地生产出了 6? Mb的 FRAM 器件。TI研发部副总裁Dennis Buss说:“我们研究了几种未来可能胜出的存储技术,最终选择了FRAM。FRAM的生产工艺相对比较简单而且技术更为成熟。我们认为FRAM技术将对电池供电的移动应用,诸如个人互联网产品、手机等产生革命性影响 。”

OUM存储器是世界头号半导体芯片厂商英特尔推崇的下一代非易失性、大容量存储技术。英特尔和该项技术的发明厂商Ovonyx 公司一起,正在进行技术完善和可制造性方面的研发工作。OUM存储器也可以做在硅晶片衬底上,其关键材料是

可以记录材料相变的硫化物薄膜。英特尔副总裁、技术与生产部门经理Stefan K. Lai称,OUM技术和现成的LSI工艺结合得十分完美。Lai认为,在数据读取速度方面,OUM可以实现与闪存同等水平的高速读取。在可擦写次数方面与FRAM一样,为10的12次方。读取方法与MRAM一样为非破坏型,次数无限。元件尺寸方面,OUM约为MRAM或FRAM的1/3。耗电方面,OUM可以在2.5V下工作,比其他技术更优异。英特尔已经在其生产奔腾芯片的工厂中,用0.18微米CMOS工艺试制出4Mb的OUM样片。在开发OUM的同时,英特尔也在发展一种称为聚合物铁电体存储器(PFRAM)的技术。

对于新的存储技术的出现,市场调研公司In-Stat/MDR的分析师认为,尽管在存储器市场中将一项新的技术成功地商品化并不容易,但不断变化的市场需求有可能推动多项新技术向市场渗透,这些新出现的存储技术到2006年可能达到2.5亿美元的市场利润。

业内人士指出,成功的存储技术要么是单芯片可替代几种不同的芯片、要么具有海量存储容量而价格适中,或者是能使户以同等价格获得明显受益的技术。最终,由市场决定技术的取舍。

作者:倪兆明

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