隨著NOR和NAND型閃存之間的競爭越來越激烈,業界在這兩者未來將共存還是競爭這一話題上的爭論也愈演愈烈。Semiconductor Insights公司最近對NEC 的FOMA 900iL型手機進行的拆解分析再次將該問題抬上了桌面。在今后的幾年間,隨著手機從2G向3G+發展,追求小巧優雅的手機將需要NOR閃存支持,而追求大存儲容量的手機則將需要NAND閃存的支持。擁有豐富功能的900iL型手機就集成了這兩種類型的閃存,它能夠同時支持VoIP和FOMA網絡,并提供動態視頻和靜態圖像成像功能。

目前NOR和NAND閃存處于混合應用局面。大多數日本的高端手機在設計中同時采用NOR和NAND型閃存,而北美手機則歷來傾向于基于NOR型閃存的設計。

這種共存形式會否變成主流,或各自的領導性廠商繼續為贏得設計中標而相互爭斗？目前英特爾和Spansion支持NOR型閃存,而三星和東芝則兩種技術都支持。英特爾始終致力于其NOR計劃,并相信NOR閃存對大批量生產的中檔手機市場來說是甜點(sweet spot)密度的最佳解決方案。另一方面,東芝認為NAND閃存將成為中檔和高端手機的主流解決方案,因為手機上的相機、音樂、視頻和其它功能正在不斷推高對存儲容量的要求。

無論是低端手機、高端手機、還是視頻/智能手機,其硬件架構大都對各種各樣的存儲器吞吐量要求十分敏感。在這種情形下,所需的存儲器吞吐量決定了應如何組合閃存(NOR和NAND)和RAM來滿足手機日增的復雜性。隨著高端應用、視頻和普通智能電話等功能被集成到和3G手機中,存儲器的吞吐量也從低于50 MBps攀升到150 MBps以上。而且,多媒體應用也在不斷推高對閃存的密度要求。

這將如何影響NOR和NAND型閃存在手機中的應用前景呢？為了更加清楚地了解兩者的區別,讓我們來看看當前正在實現的手機架構和運營商業務模式,以便更好地理解各種需求和局限。

雖然NOR+NAND+RAM的組合能夠充分利用NOR和NAND兩者的優勢,并正在高端手機領域獲得認可,但是手機存儲子系統的兩種主要架構仍是NOR+RAM和NAND+RAM。基于NOR的手機使用了“本地執行(XIP)”的技術,而基于NAND的手機則使用了“代碼遮蔽(code shadowing)”技術。

每一種方法都使用了RAM作為工作存儲區,RAM的類型有SRAM、PSRAM和DRAM。XIP的本質正如其名所示,是指與所需的SRAM緩沖存儲器一起,在本地執行代碼。代碼遮蔽架構涉及在NAND和移動SDRAM之間進行大量的代碼復制。XIP是一種已經驗證的架構,可以直接由NOR快速執行代碼而無需RAM開銷；但代碼遮蔽使用的卻是一種新型的架構(軟硬件均是),由DRAM快速執行代碼,但是這樣會導致由RAM開銷和分頁速度減慢帶來的性能問題。與XIP相比,代碼遮蔽的功耗也是一個問題,XIP在運行期間所消耗的功耗遠遠小于代碼遮蔽。

局限和優勢

總體而言,NAND閃存自身具有諸多局限。例如,系統無法從NAND直接啟動。在穩定性方面,NAND存在位翻轉(bit-flipping)、壞塊(bad blocks)和壽命有限等隱患。而且,它使用一種非標準接口并且需要進行軟件管理,而這些都提高了系統的成本。雖然有一些架構方面的方法可以幫助解決上述問題,但卻還需要其它一些技術實現折衷來解決上述隱患。

過去,NAND閃存在手機中的使用由于缺乏支持其工作的控制器而受到限制。但是現在,許多量產基帶芯片組的供應商都支持NAND,而其它的供應商也已或快或慢地加入這個陣營。基帶芯片組內的NAND控制器處理錯誤校正并對損耗水平(wear leveling)進行軟件管理,它帶有少量的片上存儲器,能夠實現基于NAND手機的引導啟動。

在調制解調器(modem)方面,NAND不能執行隨機存取,它需要額外的DRAM來執行modem指令代碼。而這樣很容易增加NAND進行讀取操作的功耗,而且還會延長引導時間。但是另一方面,NOR的寫入和擦除功耗比NAND高。NAND使用的典型糾錯功能類似于在硬盤中的操作,這種糾錯能力被包括在許多第三方NAND控制器中。

NAND的支持者認為,手持設備中不斷增加的功能集將促使設計師們使用NAND。游戲、通用功能、多媒體、龐大的數據中心需求,以及對大容量移動存儲介質的需求,都使得NAND領先于NOR。NAND在手機應用中的一個主要優勢就是它的寫入速度,而且它擦除模塊和寫入新模塊所需的時間都極短。

NOR存儲器最為嚴重的缺點之一是其密度不高。雖然速度和代碼執行性能為其加分不少,但與NAND相比,其相對較低的密度卻是其發展的障礙。NOR為低端到中檔手機提供各種密度范圍,從低端到“甜點”(128到256 Mb),最高可達512Mb。NOR也能堆疊起來提供千兆級的密度,但眼下OEM使用的最高密度是512Mb。

選擇合適的存儲密度

NOR閃存定位在目前手機理想的存儲密度甜點上。在量產銷售的中低檔手機中,多數手機的存儲器密度要求在32和256Mb之間,目前的NOR元件能夠滿足這些需求。雖然高端手機的密度要求高達512Mb到1Gb,但這些設備還沒有達到大批量銷售的水平,因此也沒有使得該范圍的存儲密度成為必需。此外,高存儲容量手機的業務模式在那些手機被運營商與移動服務捆綁的地區還沒有得到驗證。

一名閃存供應商認為,隨著高端手機銷售量的逐漸增大,NOR閃存將與前沿密度保持步調一致。而隨著工藝節點將于2006年從130納米轉為65納米,NOR閃存的密度增大將成為可能,從而其密度方面的競爭能力也將繼續保持。

而另一方面, NAND已經對手機市場發起了猛烈攻擊,另一名供應商強調。在2004年,手機市場中大約15%的MCP集成了NAND。這些增加的大部分NAND用于數據存儲,同時保留NOR用于代碼執行(RAM用作工作存儲器),如NEC手機(見圖)。

NOR和NAND共存

手機制造商既可以選擇一款自己偏愛方案和能夠實現該解決方案的相應閃存,也可以選擇讓兩種閃存共同工作以充分發揮兩者的補充優勢。NOR閃存快速的讀取速度和XIP架構使得它理所當然地被用來存儲和運行代碼,而高密度和較快的編程及擦寫速度則是采用NAND器件存儲圖像和內容的主要原因。

肯定存在著這么一個點,其時通信支持所需要的代碼變得過于龐大以致于NOR閃存無法支持。當總的每比特成本和額外開銷成本優勢轉向NAND時,從NOR到NAND的轉變就可能會發生。另一種前景是,在未來數年內,NOR的密度能夠隨著手機的發展而相應增長,從而完全消除對NAND的需求。

目前,NAND的讀取速度仍落后于NOR,而NOR在密度方面也與NAND相差甚遠。除非一種技術能夠使二者取長補短,否則這種狀況將延續下去,正如在NEC FOMA 900iL手機中一樣,NAND和NOR能夠、也將共存。

Peter DiPaolo是Semiconductor Insights公司的技術經理。他于1997年在皇后大學電子工程系獲應用科學學士學位。電郵地址:peterd@。

作者: Peter DiPaolo

技術經理

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