什麼是NAND(快閃記憶體)?

《Reuters》報導,紫光集團董事長趙偉國本週一接受媒體採訪表示,他們計劃在未來 5 年之內投資 3 千億人民幣合 470 億美元,要成為全球前三大晶片業者。
趙偉國向路透社表示,如果不能變成晶片業龍頭,那會很難在這個產業繼續發展下去。他認為未來 5 年是發展的關鍵,潛在市場龐大。他同時表示目前紫光沒有考慮投資 DRAM。認為要一步一步來。
目前全球晶片業龍頭是 Intel (INTC-US),總市值高達 1515 億美元;第二名與第三名則分別是韓國三星電子與高通 (QCOM-US)。研究機構 IHS 數據顯示,2014 年全球晶片業市場規模高達 3550 億美元,前五大業者市佔率合計高達 90%,小業者沒有生存機會。而紫光集團計劃投資總金額已經十分逼近 Intel 去年晶片營收 500 億美元,足以影響現有快閃記憶體產業。
紫光集團在過去 2 年之內投資收購金額已經超過 94 億美元,其中收購對象包括美國Western Digital (WDC-US)、台灣勝德科技;收購美光 (MU-US) 則遭到對方以「國家安全」為由回絕,不過這已經足以顯示紫光相當認真要投入 NAND 市場,生產行動裝置所用的儲存媒體。

什麼是NAND?

NAND其實是一種邏輯IC晶片的FLASH快閃記憶體的技術規格。

先了解「快閃記憶體」?
快閃記憶體屬於非揮發性記憶體 (NVRAM ) 的一種,瞬間便可更改內部資料,電源關閉後,儲存在其內的資料不會流失為目前最熱門的新一代記憶體技術,平常使用狀況下,Flash Memory 為唯讀記憶體,但在特別軟、硬體驅動下,可以對其寫入資料,且可多次重複寫入。
Flash memory或是 Flash ROM快閃記憶體,是目前最新的一種ROM型式(不過其內部材料已和最早的ROM大相不同)是在1980年代由英特爾公司推出,主要用以替代EEPROM,做為系統程式儲存及記錄(Code Storage),且注重在指令的快速讀取及對系統的開機管理,快閃記憶體並不需要不斷充電來維持其中的資料,但是每當資料更新時必須以blocks為單位加以覆蓋,而非一個byte或一個byte來寫入,Block的大小從256kb到20MB不等。

快閃記憶體由EEPROM演化而來,但是價格較便宜且位元密度較高,所以會成為EWEPROM的替代品。目前快閃記憶體多用於PC Card記憶卡,主機板和Smart Card。近年來,隨著寫入速度高容量及單位位元價格下降等因素考量,對聲音和影像等資料例如MP3的儲存也成為快閃記憶體技術發展的另一主流。

NAND是市場運用的快閃記憶體(Flash Memory)之一。快閃記憶體主要分為NOR和NAND。
Nand的技術規格︰
Nand Flash是Flash的一種技術規格,Nand Flash型的Cell是彼此相連,僅第一個及最後一個Cell分別與Work Line、BIT Line相連,因此Nand Flash架構儲存容量較Nor Flash高。Nand Flash的容量較大,改寫速度快,主要應用在大量資料的儲存,產品包括數位相機、MP3隨身聽的記憶卡等。
NAND由東芝所發展的架構,讀寫資料速度較慢,但是具有較小記憶面積,在相同密度之下,成本較NOR型態低。適用於更高容量的產品開發及大量儲存裝置上,可用以替代磁碟機在可攜帶市場的地位,或做為消費性電子產品資料儲存用。

NOR的技術規格︰
Nor Flash的每一個Cell均與一個Work Line及一個BIT Line的連結, Nor Flash隨機讀取較Nand Flash快。Nor Flash主要應用在程式碼的儲存,容量較小、寫入速度慢,但因隨機讀取速度快,不適合朝大容量發展,主要用在手機上。
NOR是由英特爾所發展的架構,讀取速度較快,而且可在單位區塊上進行指令的讀取寫入,其特性為高壓電,較長的抹除時間以及較大量的抹除區塊。此類型產品大都應用在程式指令的儲存與讀取/寫入以及PC Card記憶卡。

NAND相較於NOR來得速度慢,但比硬碟快,好處就是容量大(單顆NAND可達8G以上),成本較NOR低(目前還是比一般硬碟成本高)。NOR的運用多數在程式置放,而NAND的限制比較小,在儲存和程式這兩方面現在都因為技術的開發而變得更加成熟。

NAND當硬碟的好處︰
NAND當硬碟有什麼好處?它如果和現今的1.8和2.5吋吋筆記型電腦硬碟相比,資料讀取快了近3倍(平均速度53MB/s),儲存也增加1.5倍(平均速度28MB/s),另外,由於沒有馬達軸承(利用放電的原理),它的耗電量、功耗也跟著降低,擁有比較好的耐撞性,相對的也比較輕薄(看看現在的數位相機記憶卡就知道了)。

NAND目前的運用︰
其實目前在市面上的大姆哥隨身碟、數位相機記憶卡(SD、MS、MS Duo、XD、CF等等)、錄音筆、MP3隨身碟多數都是使用NAND FLASH。
時至今日SSD(固態硬碟)已經逐漸流行,雖然其容量及價格仍然偏高,但有逐年下降趨勢,
例如120G之ssd約一千多元,而200G之ssd 約二千多元…

NAND Flash技術從最早期的SLC(Single-Level Cell)世代,1個記憶體儲存單元(cell)存放1位元(bit)的資料,到MLC(Multi-Level Cell)中,1個記憶體儲存單元存放2位元,2009年開發TLC(Triple-Level Cell),1個記憶體儲存單元可存放3位元。

SLC即單層式儲存,SLC技術特點是在浮置極與源極之中的氧化薄膜更薄,在寫入數據時通過對浮置閘極的電荷加電壓,然後透過源極,即可將所儲存的電荷消除,透過這樣的方式,便可儲存1個資料單元,這種技術能提供快速的程序編程與讀取。

MLC即多層式儲存,是英特爾(Intel)在1997年9月最先開發成功,其作用是將兩個單位的資料存入1個Floating Gate(Flash Memory存儲單元中存放電荷的部分),再利用不同電位(Level)的電荷,透過儲存的電壓控制讀寫。MLC通過使用大量的電壓等級,每個單元儲存兩位數據,數據密度比較大。

TLC即為1個記憶體儲存單元可存放3位元。TLC速度慢,壽命短,但成本低,價格也較便宜。TLC於2009年開發出來,到2010年第1季東芝和新帝開始銷售,到2010年3月三星也開始銷售,製程技術還在持續改進中。TLC成本比較低,但讀寫次數為三者最少,壽命最短。

NAND Flash市場以SLC和MLC儲存為主,SLC架構是0和1兩個值,而MLC架構可以1次儲存4個以上的值,因此,MLC架構可以有比較好的儲存密度,且可利用老舊的生產程備來提高產品的容量,擁有成本與良率的優勢,與SLC相比較,MLC生產成本較低,容量大,但壽命較短、存取速度較慢及高能耗等缺點。

SLC寫入次數:100000
MLC寫入次數:3000 -10000
TLC寫入次數:500-1000

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