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記憶體/儲存  

在手機設計中採用NAND快閃記憶體

上網時間: 2008年09月09日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:NAND快閃記憶體  多晶片封裝  堆疊封裝  高密度嵌入式儲存  手機記憶卡插槽 

更高解析度的相機、音樂、視訊和遊戲,驅動著對於更高密度的低成本儲存方案的需求。NAND快閃記憶體正是高密度、低成本和快速資料儲存的理想選擇。目前,NAND正快速地在手機領域普及。

在手機應用中,人們使用NAND快閃記憶體來實現資料儲存的情況正日益普遍,主要應用包括:多晶片封裝(MCP) 和堆疊封裝(POP);高密度嵌入式儲存;手機記憶卡插槽。

多晶片封裝

僅能進行通話的基本型手機,採用的是低密度隨機存取記憶體(RAM)+NOR傳統MCP方案。由於新興市場對於低階手機的需求,這種方案目前仍被低階手機廣泛採用。但由於NAND快閃記憶體的密度、成本和寫入能力優勢,多媒體手機均採用NAND型MCP方案。

在這些基於NAND的MCP方案中,有一種僅是簡單地透過一個基於NOR的MCP方案增加NAND快閃記憶體來儲存資料。Pseudo SRAM (PSRAM) + NOR + NAND就是一個例子,其程式碼由NOR直接執行、NAND用來進行資料儲存,而PSRAM則作為工作記憶體。

另一個基於NAND的MCP方案則是以DRAM+NAND完全取代NOR(此時DRAM是低功率SDRAM)。在這種方案中,程式碼和資料都被儲存在NAND快閃記憶體中。當手機被開啟時,程式碼被從NAND拷貝到DRAM,並在DRAM外執行。這種做法增加了額外的啟動時間。但另一方面,這類方案卻降低了成本並簡化設計,而DRAM也能很好地快速執行程式碼。這種方案不再需要成本高於NAND的NOR。此外,作為應用最廣泛的兩種記憶體技術,NAND快閃記憶體和DRAM都具有經濟規模優勢。因此,DRAM+NAND的組合方案是成長最快的NAND式MCP方案。

如下圖所示,東芝預測2008年全球將有超過50%的MCP方案整合NAND快閃記憶體,高於2006年約三分之一的比率。而到2011年,DRAM + NAND MCP方案預計將在NAND型MCP方案中佔據三分之二。

圖1:NAND MCP方案在手機領域的成長情況。
圖1:NAND MCP方案在手機領域的成長情況。

堆疊封裝

堆疊封裝(POP)技術實際上是將一個MCP堆疊在一個處理器上以節省電路板空間。這要求頂部的記憶體POP必須和底部處理器相容。MCP的其他替代方案也都可以應用到POP上,但由於更嚴格的高度限制,POP可支援的最大記憶體密度一般要小於MCP可支援的密度。

高密度嵌入式儲存

在目前多款多媒體手機和智慧手機中,MCP可支援的記憶體密度都不夠。因此,除了MCP,手機中還嵌入了一個單獨的高密度NAND記憶體。MCP通常都可支援512M∼4G的單級單元式(SLC)NAND密度,而附加的嵌入式儲存晶片則支援1G到16G的多級單元(MLC)NAND密度──這種方案每個單元可儲存兩個或多個位元。

對於這些嵌入式儲存晶片,市場上有很多種記憶體介面,但這些方案都採用了一個如圖3所示的基本概念。該方案中採用了MLC NAND晶片,以低成本高效率的方式在小空間內實現較高密度的儲存。此外它還整合了一個控制器,來進行MLC NAND晶片的誤差程式碼糾正(ECC)、耗損均衡和壞區塊管理,為主處理器減輕負擔。

在圖3中,雖然該元件採用的是MCL NAND,但其介面是一個標準SLC NAND的介面,因而簡化了設計。

其他流行的嵌入式儲存介面,包括高速MultiMediaCard(HS-MMC)介面,即SD介面。該介面已經被廣泛使用,用於支援可抽取式SD卡。

圖2:基本的嵌入式儲存晶片組成概念。
圖2:基本的嵌入式儲存晶片組成概念。

高密度MCP

這種嵌入式儲存的概念還可以整合在MCP內部,以實現一個單晶片方案,而非兩個獨立元件,儘管其支援的最大密度比雙晶片方案密度要低。有兩個基本方法可以實現這一點。

第一個方法就是將MLC NAND和控制器添加到MCP晶片上。例如,一個MCP可能具有DRAM + SLC NAND,並透過MLC NAND+控制器實現了較大密度的儲存。目前的MCP單晶片方案通常可實現2GB儲存量。如一個採用DRAM + SLC NAND+Storage方案的GB級MCP就可以做到這一點──該方案整合了MLC NAND晶片和一個支援SD介面的控制器。

另一個方法是利用一個NAND晶片+控制器,其中NAND晶片可以分開在SLC NAND和MLC NAND之間。mobileLBA NAND就是利用這個方案。SLC NAND晶片區被用來儲存要求高可靠性和性能的應用程式,而MLC NAND晶片區則被用於資料儲存,所有儲存都在一個晶片上完成。這個方法的靈活性是可以將SLC和MLC在同一晶片上分開,因此不需要一個單獨的SLC NAND晶片。這種方法不僅能用於高密度的MCP,還能取代利用SLC NAND的傳統型低密度MCP。

為實現密度和成本上的優勢,MCP最終將從SLC NAND型方案向MLC NAND型方案。因此,正如嵌入式儲存方案和可抽取式卡利用一個嵌入式控制器來管理MLC NAND晶片一樣,MCP也將做到這一點,而非由主處理器來執行該任務。

圖3:單晶片mobileLBA NAND MCP解決方案。
圖3:單晶片mobileLBA NAND MCP解決方案。

普遍的誤解

目前業界普遍有這樣一種誤解,認為如果由主處理器來管理MLC NAND晶片,而非利用原本執行該任務的整合式快閃記憶體+控制器方案,可節省系統整體成本。畢竟誰也不願意為添加記憶體控制器而增加支出。

但問題是,隨著晶片尺寸日益微縮,MLC NAND晶片的控制越來越複雜。這不僅僅是由於ECC要求的強化,還由於NAND快閃記憶體因尺寸日益微縮而增加的複雜性。每個供應商的MLC NAND都有其獨特特性,它們都能最佳化自有控制器,以便從MLC NAND晶片中獲得最佳性能。由於NAND晶片微縮速度越來越快,主處理器開發商愈來愈難跟上每個NAND供應商日益微縮的尺寸和最佳化性能。

消費者可以自己選擇購買能直接控制MLC NAND的主處理器,但可能會在購買前一代MLC NAND晶片時受滯。相較於從記憶體供應商購買已最佳化控制器的MLC NAND方案來用於目前MLC NAND晶片,這種選擇將最終導致更高的成本和更低的性能。

NAND快閃記憶體在可抽取式記憶卡插槽領域成長也很快──這也是手機中成長最快的領域之一;該插槽的用途在於增加額外的可抽取式儲存。2006年大約有25%~30%的手機擁有卡插槽,到2008年該比重將達到50%,而到2010年則將達到70~75%。目前最流行的格式是microSD卡,其最大容量已達到8GB。

本文小結

如今的多媒體手機都要求儲存密度、成本和寫入性能優勢,而這正是NAND快閃記憶體可以提供的。因此,透過附加高密度嵌入式儲存晶片和卡插槽的日益普及,NAND快閃記憶體已經成為手機領域(包括多晶片封裝中)的主流儲存方案。

從那些支援LBA、MMC或SD介面的高密度嵌入式儲存方案或microSD卡可以看出,MLC NAND的普及已經超過了SLC NAND。因此,隨著MCP對於儲存密度的要求繼續增加,它也將整合更多的MLC NAND。記憶體供應商也將提高控制MLC NAND的能力來實現最佳性能,以跟上最新MLC NAND晶片技術發展的腳步。

作者:Scott Beekman

東芝(美國)電子元件公司





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