旺宏以19纳米领跑Serial NAND市场

旺宏电子产品行销专案副处长郭玉兰

嵌入式系统的存储器解决方案随着物联网、人工智能与5G等智能应用的飙升，消费者加速追求改善使用者体验，带动更多软件加装在嵌入式的应用中，比Serial NOR容量更高的Serial NAND存储器也因此应运而生。旺宏电子(Macronix)是非挥发性存储器领导厂商，身为全球最大的NOR Flash供应商及世界排名前三大S LC NAND存储器厂商，多年来累积完整量产经验，专注经营嵌入式系统的应用领域，以品质与产能上的优异表现，在Serial NAND方面亦提出完整方案，广获系统厂商与芯片设计大厂的青睐。

继2020年初19纳米SLC NAND存储器新登场之后，旺宏更进一步取得NAND快闪存储器重要的成本优势，加上自有晶圆厂掌握产能自主的关键能力，客户供货满意度受到称道，产品行销专案副处长郭玉兰接受访问时指出，因应嵌入式应用对Serial Flash需求容量推升，旺宏的19纳米Serial NAND快闪存储器在成本与效能改善的优势下， 带动新一波的市场竞逐态势，并率先在Serial NAND快闪存储器的应用上提出由主芯片处理ECC的创新主张。

主芯片处理ECC是最佳品质及成本效率的典范

NAND存储器的内建ECC结构，不论是外加ECC控制芯片和NAND堆叠或是单芯片NAND On-Die ECC设计等都是市场上常见的配置，但这样的设计在实际成本精省与效能上并没有达到显着效果；反而，如若省掉内建ECC功能，其成本效益则相当明显。再参考目前市场主流SLC NAND， 8 I/O的标准工程设计皆是采取主芯片自行处理ECC的设计，主要是因在品质、成本和效能上皆有最直接的优势推崇，也因为如此，旺宏引进成为Serial NAND方案的最佳借镜。

主芯片采用BCH演算法提供 8-bit ECC功能驾轻就熟

SLC NAND快闪存储器技术在半导体制程的演进上走得比NOR快，可大幅度节省单位成本，而又能比MLC NAND具备更高的可靠性，故能迎合程序码愈变愈大的嵌入式应用的趋势，对新设计的主芯片而言，如同处理标准8 I/O的SLC NAND一般，主芯片只需采取BCH演算法的8-bit ECC能力即可，这对主芯片设计团队而言是驾轻就熟的工作，同时也说明现今内建ECC的Serial NAND产品，其实只是过渡时期产品，长远看主芯片自行处理ECC才是主流。

主芯片处理ECC的最佳推动力是效能提升的优势

NAND的周边逻辑制程相对比SoC逻辑是大幅度的落后，所以NAND内建处理ECC的效能较弱，郭玉兰比较内建ECC的Serial NAND和Serial NAND由主芯片处理ECC两者，单从NAND的读取效能做比较，发现后者的效能几乎达到2倍的胜出，这是以133MHz时脉基准下，以每分页4KB为单元的NAND快闪存储器为测试基础而来；再者，更进一步从整体系统考量来比较，也就是把主芯片同步处理ECC所耗费的时间一起考虑进来，整体效能上的表现仍然有28%到55%的胜出，也就是在主芯片ECC纠错处理之下，实际效能的优势仍显而易见。

主芯片处理ECC透明度高，可完全掌控对Serial NAND的控制

由主芯片处理ECC的主张，可让主芯片更能依系统对品质要求来控制Serial NAND，尤其对于存储器使用寿命要求较高的应用来说，主芯片可用更强的ECC纠错能力来提升Serial NAND 最核心的读取耐力(Read Endurance Cycle) 和擦写耐力( Program/Erase Endurance Cycle)的信赖性，以主芯片直接使用12-bit ECC技术对比仅使用8-bit ECC的技术为例，则可提升1.4倍的读取耐力(read cycles) ，与1.47倍的擦写次数(program/erase cycles)，足足增加40%以上的效益。

尤有甚者，主芯片除了能完全掌握Serial NAND的错误修补能力之外，还能细微化Serial NAND错误修补指标( ECC status levels)，精准判断何时该将数据做有效搬移，而不至进行过度非必要的数据搬移，这对信赖性和效能上都有极大好处。相形之下，由Serial NAND内建ECC的方式，反而像是个黑盒子，主控端反较难以依应用所需，进行有效的控制Serial NAND。

降低Serial NAND 彼此兼容性低的困扰

市场上各家Serial NAND产品由于个别制程演进相异，可能涵盖3X纳米、2X纳米或最新19纳米的SLC NAND制程，使个别所需的内建ECC能力不同，以致于内建ECC规格不一，这也造成主芯片难以用相同管理方式来决定何时将数据搬迁到其他好区块，反而需要更为谨慎的设计应对措施，以免造成软件的兼容问题。

此外，内建ECC的Serial NAND存储器产品，会因为每一家Page Structure的spare area所定义的ECC保护范围不同，而难以用同一套软件来管理不同规格的Serial NAND存储器，反之，主芯片处理ECC就毋须烦恼ECC保护范围之差异问题，因为完全可以由主芯片决定其所需。 由此可窥之，当主芯片掌控一切时，就能降低Serial NAND兼容性议题，将使主芯片设计过程更为顺畅。

主芯片处理ECC的趋势创造SoC与Serial NAND存储器及共同客户多方共同的利益

ECC功能交由SoC主芯片全权处理，将使SoC掌握一切的设计趋势，成为符合各方利益的最佳解决方案，但是考量现今市场处于过渡阶段， Serial NAND 处理ECC的规格不一情况下，郭玉兰建议，即使新的主芯片决定加入ECC功能直接处理Serial NAND，主芯片端可考虑在初始启动程序中(initial boot loader)直接加入Disable internal ECC的指令，把Serial NAND内建ECC功能关掉，改由主芯片直接处理ECC，此举将有助于SoC搭配各家Serial NAND产品，不论是内建ECC或是非内建ECC的Serial NAND，都可以同一套韧体被采用，大幅度提高系统的弹性。

这些实质的助益，说明一旦SoC芯片可以自行决定ECC强度，以及决定适当时程进行数据搬移等运作时，更能增加NAND快闪存储器使用寿命，所以旺宏这次公开提倡主芯片处理ECC的新观点，马上吸引海峡两岸最大IC芯片大厂的支持，除享受完整成本与效能优势之外，在系统的完整性与可靠性的设计要求，将更能得心应手，展现新一代SoC芯片的市场价值。

以家庭闸道器产品为例，这个将基带和家庭路由器整合至单一智能家庭装置上的当红产品，让Gigabit Ethernet Passive Optical Network(GPON)市场开始走上宽频与智能家庭市场，因为智能家庭应用与服务中，往往需要大量的影像处理与传输，SoC芯片厂商在详细考量家庭闸道器的设计时，使用具备数码处理(DSP)与定制ASIC架构，以便于处理更多样化的数据来源，并加入大量信息安全的保护功能，甚至提供优异VPN效能、加解密演算法等技术，随着先进半导体制程快速演进，SoC芯片的能力愈来愈好，需要更高容量的Flash 做为程序和数据储存， 同时又要兼顾效能和信赖性，搭配由主芯片处理ECC的 Serial NAND，更能发挥系统整体效能，成为高端网通SoC产品的一大助益。

旺宏的19纳米Serial NAND存储器，为利基型与高附加价值的产品线，提出让主芯片完全管理Serial NAND 的方向，充分让客户享受在成本上与处理器全权掌控的高效能优势，这个贯彻高度定制化的产品策略，让旺宏有效掌握多样化的市场脉动，目前3V的1/2/4Gb容量的产品线一应俱全，并已经正式出货，在网通市场和消费性电子的SoC芯片产品线开始初试啼声，其长期的后势发展备受期待。

郭玉兰也不讳言表示，由于嵌入式系统商业模式的转移需要较长的过渡期，旺宏已经备妥相关解决办法，故仍保有部分具备ECC功能的Serial NAND产品线，以满足一部分缺乏工程研发资源的客户需求，并透过稳定供货与产能的迅速调配，深化长期夥伴关系，协助Serial NAND存储器扩大应用面。