代码型闪存技术和应用创新

存储器技术和产品是电子系统及应用的重要支撑之一。特别是代码型闪存在二十一世纪的几次电子化浪潮中呈现出与其他电子技术不同的V型发展路径，展现出了旺盛的生命力。当前，5G、AIoT、新能源电动汽车等蓬勃发展，代码型闪存的技术和应用再次迎来了巨大的发展机遇。在2023中国IC领袖峰会上，芯天下副总经理兼首席技术官苏志强先生以“代码型闪存技术和应用创新”为主题，从代码型闪存的定义和分类开始，介绍了它在万物互联时代的机遇，分析了5G+AIoT以及新能源汽车对代码型闪存的需求趋势，并介绍了芯天下代码型闪存产品的五大主要产品系列及产品路线等内容。

1、代码型闪存定义及分类

典型计算架构中的存储

典型的冯诺依曼计算架构包括了运算和存储，构成核心处理单元。

其中的存储器部分分为两块，靠近运算单元是用来快速访问数据或者执行代码，通常这部分叫做Memory，另外距离运算单元远一点，断电之后数据可以保存，这部分被称为Storage。右图是存储器详细的分类，金字塔结构基于不同存储器芯片技术以及应用的特点构成。在存储系统里面分成不同的层级，越靠近顶部的位置速度会更快，单位成本会更高，容量会更小。越往下层存储单位成本会低，存储容量大，同时断电以后可以保存数据，但是访问延迟大很多。上一部分靠近运算单元所以这一块通常叫做Working memory，下面是长期存储称之为Data Storage。本报告主题讨论分析的是上面部分的Working memory，重点针对其中细分类别------代码型闪存技术。

代码型闪存定义及分类

从存储芯片来看，整体分为两大类，一类叫易失性存储器，顾名思义，断电以后数据丢失了，主要包括DRAM和SRAM。

另一类叫非易失性存储芯片，发展了不同的技术种类，其中主要是Flash闪存，它占非易失性存储器市场95%以上，Flash又基于不同存储架构以及对应应用取向导致接口特性不同，分为两大类：NOR Flash和NAND Flash。NAND Flash根据集成架构不同又分为2D和3D，对于单个存储数量信息来说又分SLC、MLC、TLC、QLC、PLC等，单位cell存储数据更多的时候单位比特成本更低，容量可以做大，但是性能相对会衰减，可靠性也会适当差一些。

对于存储执行代码存储芯片来说，它需要高的访问速度以及高可靠性，因此它主要是NOR Flash和SLC NAND，总称之为代码型闪存，而更大容量3D NAND通常称之为数据型闪存。

代码型闪存分类及特点

代码型闪存的特点，主要用于存储操作系统及其启动与运行过程当中的代码信息，对芯片的稳定性，可靠性和访问速度有很高的要求。

代码型闪存分为两大类，他们之间相对来说有共同的高可靠性特点和高访问性能，但是也有明显的差异。

NOR Flash具备更高的可靠性，稳定性更高，读取速度更快，通常用于小容量代码存储和快速读取，尤其随机读取速度快，特别适用XIP应用。

SLC NAND Flash具有存储容量较大，擦写速度更快等特点，通常用于支持带OS如Linux等复杂系统代码存储应用。

结合容量、可靠性、成本等因素，一般存储容量需求在128Mbit及以下的应用会倾向于选择NOR Flash方案，存储容量需求在256Mbit尤其1Gbit及以上的应用会倾向于选择SLC NAND Flash，但亦有如5G基站、汽车电子等对可靠性要求非常高的应用会选择较大容量的NOR Flash产品，通常这类应用对于成本相对不太敏感。

2、万物互联时代为代码型闪存带来新机遇

电子产品和应用发展的不同时代，对于代码型存储的应用需求也不同。从另外一个角度来说，代码型存储器怎样使每一个时代的电子产品建立起来或者成为支撑它的重要技术之一。

电子产品的硬件能力主要由它的运算以及存储构成，支撑设备的代码运行以及数据处理能力。在这个基础之上，能够对应到支撑设备的应用种类，底层处理芯片以及存储芯片基本上决定了不同的电子产品时代和阶段，尤其是手机及其对应的移动互联时代，闪存技术起到了重要作用，技术、产品及应用并得到了蓬勃发展。早期的手机产品，通常称之为功能性手机，代码型闪存NOR Flash是最重要的芯片器件之一，存储容量通常到几十Mb到一两百Mb，用来存储手机的基础操作系统及基带协议，以及少量的用户数据包括通讯录、短信息等。NOR Flash成为当时仅次于DRAM的第二大存储器类型，市场规模达到80~90亿美元。这时NOR Flash芯片的领导厂商主要为美、欧、日厂商，包括NOR Flash的发明者Intel，AMD和Fujistu合资而成的Spansion为龙头企业。

2007年iPhone出现以后，功能手机开始逐步切换到智能手机。到智能手机之后NOR Flash出现了瓶颈，因为它的容量限制在128Mb-256Mb以下，这对于智能手机来说不够，它们需要更大的程序，用户数据也不够，所以它只能转向更大容量的NAND Flash解决方案。

因此随着功能手机向智能手机切换，NOR Flash市场份额持续下降，一直到2015和2016年，市场份额规模不到20亿美金。

到了万物互联的新的时代，多种多样产品发展起来之后，每个应用都需要运算和代码存储单元，这时需要的数量和种类都蓬勃发展起来了，不同应用对于NOR Flash的要求差异较大，同时NOR Flash的工艺节点也发展到45nm很难继续scaling下去，这时亚洲的芯片厂商也在这种形势下快速发展起来，包括最早发展起来的台湾厂商MXIC和Winbond，大陆这边除了最大的GigaDevice，还包括芯天下、Puya，XMC，恒硕等厂商也在参与到这个行业当中。

3、5G+AIoT对代码型闪存需求趋势

最近10年，5G+AIoT的应用得到了大面积普及和爆发，5G作为终端来说是一个智能手机，但是从网络方面来看，它对于NOR Flash有一个较高的要求，需要更高的可靠性，更大的容量，更高的访问速度，同时5G基站数量相较于4G及更前代也更多。这种情况下只有高性能、高可靠性NOR Flash才能满足需求，或者说NOR Flash是支撑5G基站的重要技术和产品类型。

AIoT是一个相对泛的概念，从原来的手机扩展到智能穿戴、智能家居，以及智能医疗、智能交通等，每个智能终端都需要对应运算处理和代码存储单元，不同应用对于代码存储的功耗和性能需求不同。

最近三五年，新能源发展数量及渗透率急剧的增加，类似于2008年前后智能手机兴起对功能手机的替代，同时单车自动驾驶水平的持续上升从L1发展到L2/L3以及更高的层级发展，导致整机对于NOR Flash数量快速增加，整机中需要的代码存储量，随着Level也会持续增加，此外，它的智能化计算平台对单颗Flash的容量也会持续增加。

从AIoT、5G、新能源汽车等典型的应用可以看到代码型闪存的市场份额都在持续增加，但是需求特性不太一样，比如AIoT主要是低功耗、小尺寸，5G是严苛的应用环境和高可靠性，新能源汽车需要极低的PPM（0PPM），品控要求非常高。

4、芯天下代码型闪存产品线和规划

芯天下是一家专业从事代码型闪存芯片研发、设计和销售的高新技术企业，提供从1Mbit-8Gbit宽容量范围的代码型闪存芯片，是业内代码型闪存芯片产品覆盖范围较全面的厂商之一，提供了较完整的代码型闪存解决方案。公司现有主要产品包括NOR Flash、SLC NAND Flash以及组合产品类型，广泛应用于消费电子、网络通讯、物联网、工业与医疗等领域。

五大主要产品系列

芯天下代码型闪存提供了完整产品解决方案，大致分为五个主要产品系列：SPI NOR，SPI NAND，NAND MCP，SD NAND以及面向代码存储的中低容量eMMC。

NOR Flash涵盖不同的电压应用范围，从标准3.3V到宽压，到低功耗1.8V，以及更低操作电压和功耗1.2V产品，3.3V产品可以涵盖容量2Mb到256Mb完整的序列，工艺也从65纳米演进到55nm及50nm。宽压系列主要包括小容量16Mb以下以及512Mb/1Gb高容量，1.8V是主要的产品序列从8Mb一直延伸到1Gb及2Gb。1.2V超低电压系列首先会去推32Mb的产品。

SLC NAND主要是这几个系列，SPI接口1Gb~4Gb，SD接口1Gb~8Gb，以及基于SLC NAND叠加DRAM的MCP产品。

产品路线

基于产品应用新需求，芯天下对于代码型闪存技术研发以及产品规划路径是比较清晰的。

主要方向是在低功耗、更高容量、更快速读取速度以及更小尺寸这几个方向做技术创新和产品规划。NOR Flash会有全面向55nm产品切移，首颗50nm SPI NOR Flash今年也计划量产，未来会重点推向50nm产品以及完整产品线向更先进工艺节点演进。SPI和SD NAND 1.8V 1~4Gb作为重点，会研发小容量单芯片产品。

除了晶圆工艺和芯片设计技术，芯天下对封装技术也会持续创新，针对于小容量、小体积的应用，创新推出了业界最小的封装形式，包括64Mb DFN8 2×3×0.4mm，2Mb的DFN6 1.2×0.7×0.4mm，更好的满足更小空间和重量应用场景。