为了持续提高NAND Flash的储存容量与密度,东芝(Toshiba)计划一改过去持续挑战半导体制程极限的作法,转而透过3D结构以提高NAND Flash的储存密度。此外,其他内存厂商也都不断开发新技术以取代传统浮动闸极(floating gate)结构之NAND Flash,藉此解决该技术容量极限难以突破的问题。

NAND Flash深具应用潜力。图为一款使用SSD的NB产品。
NAND Flash深具应用潜力。图为一款使用SSD的NB产品。

由于许多产业观察家认为45奈米或32奈米节点之浮动闸极NAND Flash结构很快会被淘汰,因此东芝积极开发新技术,其新概念是藉由堆栈内存组件所成的硅柱(pillars of silicon),垂直穿越电极材料层,并共享周边电路。硅柱将穿入堆栈式基板孔洞,东芝称这种结构薇「由闸电极和绝缘体薄膜组成的多层三明治结构」。硅柱表面上有涂层,闸电极以固定间隔围住硅柱,外有预先制成的保存数据用氮化物(nitride)薄膜,每个接合处并有硅氧化氮氧化硅(Silicon Oxide Nitride Oxide Silicon;SONOS)结构,如此完成一个NAND单元。

尽管东芝这项技术的商用化时程尚未确定,然而这种浮动闸极结构将能大大改善NAND Flash之储存密度,因此许多大厂例如Motorola及Cypress都陆续采用。 而三星(Samsung)也自行开发类似浮动闸极结构的电荷撷取闪存(charge-trap flash;CTF),并声称此种CTF NAND架构芯片可减少增加数据读取难度单元间干扰的问题,比起传统NAND Flash将更可靠。

回头来看看,为什么NAND Flash会如此当红呢?一般消费者也许轻而易举可以发现,从手上的USB随身碟、数字相机记忆卡、iPod以及Wii游戏机等产品都可见到NAND Flash的踪影,往后肯定还会有更多产品相继使用。例如Intel的Turbo Memory技术(即2005年所提出的Robson技术)便是建议在PC主板上设置模块插槽,以便插置NAND Flash做为传统DRAM内存与硬盘间的缓冲及快取。相同的,Microsoft的Hybrid HDD,也同样在硬盘上放置NAND Flash做为内存与硬盘间的缓冲与快取。而NAND Flash另一个主要应用将是取代传统硬盘储存,例如iPod便是以NAND Flash取代微型硬盘,而Wii则可将上网所下载的数据储存在内建的NAND Flash中充当硬盘。此外,目前吵得火热的OLPC,由于成本考虑,也将以NAND Flash为主的SSD固态硬盘取代传统硬盘。

NAND Flash之所以会如此受到重视,自然有其优势存在。以NAND Flash取代硬盘,诸多优势例如省电、抗震、存取快速等,而其缺点包括读写寿命不如硬盘,且现阶段最大致命伤为价格尚无法有效压低。然而各厂商均积极致力补强这些缺失,增长NAND Flash使用寿命,并降低售价。

而在行动应用方面,NAND Flash也渐渐用于取代NOR Flash。目前NOR Flash擅长于随机存取,因此行动装置的程序存取是以NOR Flash为主,只有大量数据的顺序访问才使用NAND Flash。而现在厂商透过设计弥补NAND Flash的缺失,透过小容量SRAM做为NAND Flash的快取,使NAND Flash的随机访问速度增快,同时将NAND Flash的存取接口转换成兼容于SRAM的接口,如此一来NAND Flash就能仿真NOR Flash,并进而取代之。

观察NAND Flash产业现况,厂商不断进行整并,或宣布退出该产业。例如日前Renesas及Qimonda宣布退出此市场;Toshiba与SanDisk则结盟合资兴建12吋晶圆厂;Hynix与STM也将合作在中国无锡设立合资公司,并兴建8吋晶圆厂与12吋晶圆厂客一座;此外,Intel与Micron将成立IM Flash公司,并宣布在新加坡建立12吋晶圆厂一座以增加产能。在经过一番整并之后,NAND Flash产业未来将呈现Samsung、Toshiba、Hynix及IM Flash四大集团分庭抗礼的局面。

2006年NAND Flash产业排名第一的厂商为Samsung,年营收56亿1400万美元,市占率为45.4%。第二名为Toshiba年营收则为32亿2200万美元,市占率达26.1%。合计NAND Flash产业前二大厂商的市场占有率已高达71.5%,如此更可看出此一产业未来将朝向专业化、大型化的趋势发展,竞争厂商数减少,而市场占有率则持续集中。

NAND Flash当红,过去随身携带的软盘片早被「NAND Flash Inside」的随身碟所取代。而未来NAND Flash更将大量应用于前述所例举的各项应用,随着往后技术的成熟与价格的进一步降低,NAND Flash肯定将更普及于消费者的生活当中。也期待台湾厂商藉由DRAM产业所打下的基础,跨足到深具潜力的NAND Flash市场,以获得更有利的发展契机。