NAND闪存位密度竞争 MLC架构取胜SLC

三星和东芝这两家主流NAND闪存厂商，长期以来控制着快速增长的NAND闪存市场，但是现在后面有了来自海力士、IMFT(英特尔与美光合资公司)等公司的追击。这些闪存巨头在工艺、位密度(Mbits/mm2)和闪存架构上展开竞争，同时，他们也引领着半导体工艺的最新进程。

先进工艺无疑会导致闪存裸片的尺寸减小，但是有时工艺虽然落后，但由于采用了多级单元(MLC)架构，也可以在裸片尺寸和位密度(bits/mm2)方面占上风，东芝与三星的竞争就是这样交织着，现在拥有了英特尔MLC技术的IM科技公司更是在工艺和MLC上都希望超越竞争对手，大有后来者居上的冲劲。

传统上，三星的开发活动一直集中在单级单元(SLC)闪存上面，这种闪存的每个单元只存储一个比特的信息；东芝则在MLC闪存设计方面拥有经验与技术。MLC闪存在每个存储单元地址上存储2比特信息，因此能够在一定的硅片面积上存储更多的比特，从而使东芝能够降低给定闪存密度的制造成本。因此，东芝能够在工艺技术落后于三星的情况下仍然在裸片密度方面处于领先地位。

东芝已生产了几代MLC闪存，包括最近推出的一款利用70nm工艺生产的8-Gbit产品。去年，东芝利用90nm工艺与三星的73nm产品竞争。东芝90nm MLC闪存的位密度达29 Mbits/ mm2，超过了三星的73nm闪存，后者的位密度为25.8 Mbits/mm2。

对于给定的存储密度，东芝闪存的裸片面积也比三星的要小。例如，东芝的4-Gbit 90nm NAND裸片面积是138 mm2，而三星的4-Gbit 73nm NAND裸片面积是156 mm2。这使东芝在成本方面更具竞争力。

在三星方面，其长期以来一直倡导SLC架构，声称SLC优于MLC。但该公司于2004和2005年发表的关于MLC技术的ISSCC论文，却初步显示它的看法发生了转变。三星在其网站上仍未提供关于MLC闪存的任何营销材料，但它已有一款4-Gbit MLC NAND闪存。该产品的裸片面积是156 mm2，比东芝的90nm MLC NAND闪存大18mm2。如果想与东芝争个高下，三星将需要改进它的MLC技术以生产未来的NAND。

三星正在推出一款采用65nm工艺的4-Gbit SLC NAND闪存，只比73nm稍微缩小一点。这令人怀疑工艺缩小是否已经失去势头。如果真是这样，则东芝处于有利地位，因为它现在有采用70nm的MLC。也许三星向65nm前进是个权宜之计，这能使它的裸片立即能够与东芝的90nmMLC抗衡。但东芝的8-Gbit 70nm MLC器件密度达到了惊人的56.5-Mbit/ mm2，这比三星的65nm器件密度还高80%，三星这款4-Gbit SLC的密度是31.3 Mbits/mm2。东芝的报告显示，该公司将不会开发65nm器件，而是直接跳到线宽为50-60nm的16-Gbit裸片。

作为后来者，英特尔与美光的合资公司IM在工艺的革新和对位密度的提升上采取了与东芝相似的策略。美光NAND闪存发展部副总裁Frankie Roohparvar表示：“美光已推出70nm工艺的8-Gbit MLC高密度NAND闪存，目前已能在50nm上实现MLC和SLC，这比三星和东芝都要领先。”同东芝一样，美光将跳过65nm直接进入50nm的工艺生产NAND。据市场调研公司Semiconductor Insights的报告，美光50nm 4-Gbit的NAND比三星采用65nm工艺的4-Gbit NAND的面积小30%。

在不到一年半的时间内，美光连续推出90nm、70nm以及跳过65nm直接推出50nm的闪存，并且在50nm工艺上成功实现了MLC和SLC架构，这不能说不是一个奇迹，令所有的竞争对手和分析师吃惊。而三星、东芝等公司在NAND市场已耕耘10年以上。

另外，海力士也在生产MLC产品，MLC成为NAND厂商拼比位密度的一个重要武器。

MLC NAND面临的挑战

MLC技术并非没有缺点，而且在先进的工艺节点下将更加难以制造。随着闪存技术的发展，存储在浮点门上面的电荷数量下降。这使得读出所存储的信息变得更加困难，特别是对于MLC器件来说，它需要读出四个电压水平，而不是只有两个。但是，据称东芝已能够在70nm器件中保持与90nm技术同样的差错检验码方案。

美光的Roohparvar也表示：“虽然MLC在向更高的工艺技术转移时，实施会更困难，但我们的工程师已开发出创新的技术和方法在先进工艺上实施MLC。”如前所述，美光已能在50nm工艺上实施MLC。

MLC闪存的可靠性也不如SLC闪存。虽然对于消费应用来说可靠性并不是严重问题，但在其它市场却是个缺点。对此，Roohparvar表示：“由于MLC是一种更便宜的架构，所以有许多应用会采用MLC技术，但会考虑在MLC架构下选择更可靠的技术参数。”

目前主流NAND厂商的工艺水平

厂商选择MLC的原因还有一个，就是缩小闪存器件的线宽并不容易，且过去厂商曾多次宣称闪存已发展到尽头，希望有一种其它器件来代替。不过，据国际半导体技术蓝图(ITRS)显示，在达到32nm工艺节点以前，闪存仍不会为其它技术所替代。

因此，三星也在积极地进军MLC，但这可能会引发一些专利纠纷。东芝与SanDisk合作开发和生产MLC器件已有数年，他们拥有这方面的专利。虽然三星曾与SanDisk在2002年达成了一项交叉授权协议，这能不能解决潜在的MLC专利问题还有待观察。IM采用的是英特尔的MLC技术，所以没有专利问题。

除此之外，三星和东芝亦面临海力士半导体的压力。海力士在2004年2月推出了其首款NAND产品，成功实现了从DRAM向闪存领域的巨大跳跃。2005年海力士的销售额增长了525%，而且从三星和东芝手中夺走了一些市场份额。同时，英特尔与美光合并，在市场中创造了一个强大的厂商，他们正在为NAND闪存倡导一个新的接口标准。“IM正领导合作伙伴和客户开发统一的NAND闪存接口，以使NAND闪存的应用更简单。现在已有大量的公司加入我们这个队伍，并且，我们相信会有越来越多的公司加入。”Roohparvar说道。

除以上这四家外，英飞凌在该领域的增长也值得关注。这些厂商将使得NAND市场的竞争更加激烈。