芯片行业正在向3D转变，NOR Flash也不甘落后
当下，3D芯片成为了业界应对晶体管密度提升与先进制程微缩高成本之间矛盾的首选方案，无论是芯片制造，还是封装，无论是逻辑芯片，还是存储器，在高端应用领域，都在向3D转变。
特别是在存储器方面，3D NAND Flash已经深入人心，各大厂商都在将主要精力和资源投入到这方面的研发和生产，而传统的2D NAND Flash正在逐步退出历史舞台。在这样的趋势下，市场容量不如NAND Flash，但又凭借其独有的特性，在市场上不可或缺的NOR Flash，也开始向3D方向发展，不过与3D NAND Flash相比，3D NOR Flash仍然处于起步阶段，只有行业头部厂商，如旺宏（Macronix）和华邦电（Winbond），在大力投入研发，其它厂商多处于观望阶段。
那么，NOR Flash的魅力体现在哪些方面呢？下面简单介绍一下。
NOR Flash的价值及市场格局
1988年，英特尔正式推出了NOR Flash，结合了EPROM与EEPROM这两项技术，改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。NOR Flash具有芯片内执行（XIP）和高可靠性等特点，但寿命相对较短，其在小容量应用方面具有很高的成本效益，在功能机时代，凭借NOR+PSRAM架构称霸一时，其中，NOR Flash用来存储代码和数据，PSRAM 作为MCU和DSP执行运算时的数据缓存。
NOR Flash主要分为串行和并行两种，串行NOR Flash的特点是接口简单、轻薄、功耗和系统总体成本更低，虽然读取速度不及并行的，但已成为市场和应用的首选。而与NAND相比，NOR的成本较高，容量小，且写入速度慢，传统上，主要用于功能手机、电视、机顶盒、USB Key等小容量代码存储。
市场规模方面，NAND约占42%，而NOR只有3%；制程方面，NOR对先进节点的要求不高，目前，量产的先进制程为55nm和65nm，当然，这些都是传统的2D工艺。
虽然NOR的擦除和写入速度相对较慢，但其读取速度非常快，这也是它能够在应用中安身立命的核心价值所在。
目前，全球90%的NOR Flash市场被旺宏、华邦电、美光、Cypress（已经被英飞凌收购）和兆易创新这五大厂商占据。全球范围内，高容量的NOR Flash主要由美光和Cypress提供，主要用于汽车、工控和航天领域；华邦和旺宏则以生产中等容量的NOR为主，兆易创新早期依靠低容量产品切入NOR市场，正在向高端领域过渡和发展。旺宏、华邦和兆易创新这三家更专注于消费类电子产品市场。
在应用方面，过去两年，随着AMOLED、TWS蓝牙耳机和TDDI这三大应用市场的爆发，为NOR Flash发展提供了绝佳的契机，因为这些应用的需求与NOR Flash的特性高度吻合，从而为其市场扩充创造了条件。
而汽车电子的发展方兴未艾，且市场规模巨大。由于NOR Flash具有成本优势，且可靠性更好、供货稳定，使得高容量的NOR Flash在汽车电子中被广泛应用。从最初的车用广播需要1Mb的低端NOR，发展到中控系统搭载128Mb——256Mb的。
IHS预计2022年汽车电子市场规模将达到1602亿美元，其中增速最高的是ADAS，2022年将达到214.47亿美元，年复合增速达到20.27%。ADAS系统中的行车记录、导航、影像、车道偏移警示等功能，普遍需要采用512Mb的NOR Flash，尤其当仪表盘转换成电子式之后，需求量更是有所提升，在变速箱、电池模组中也都需要用到NOR Flash。汽车电子的快速增长将带动车用存储器需求的跟进。
可以说，汽车电子市场的巨大发展潜力，是NOR Flash头部两强（华邦电和旺宏）发展NOR Flash，特别是重金投入最先进 NOR Flash研发和生产的重要原因。
NOR 七大需求剖析
目前，主流TWS芯片都配置有内置或外接的NOR，用以存储耳机系统代码。内置NOR，即嵌入式Flash， 是将NOR与其他模块一同集成在同一颗SoC上；外置NOR作为单独的存储芯片，存在于IC电路中，与逻 辑模块不在同颗SoC上。
智能手表和智能手环的性能和功能的差异决定了NOR的配置不同。 通常情况下，高端智能手表的主控芯片功能强于智能手环。手表SoC的面积也较大，足够支持NOR内置， 如苹果手表的S6芯片。智能手环则因为主控芯片性能较弱，而且SoC面积较小，不足以支持NOR内置， 常采用外置NOR。
AR/VR作为下一代移动终端计算平台，对计算要求相当高，相当于一台独立的PC机。性能较高的AR/VR设备通常会配置一颗64-128Mb的NOR。AR/VR启动系统的相关代码需要存放 在NOR里。
AMOLED面板生产一致性问题，导致AMOLED面板需要后期外部校准，记录这些问题像素的行列位置和亮度差异值，经过后期计算得出需要补偿的电压/电流值，并将这些信息写入面板模组中外置的NOR。模组IC会根据NOR中的补偿信息，实现一致性的显示效果。外置光学补偿是最常用的Demura。NOR的需求随显示屏分辨率的上升而同步增长。FHD分辨率的AMOLED屏幕通常配置8Mb的NOR，2K 分辨率的AMOLED通常配置16Mb的NOR。
loT设备不需要复杂的计算功能，核心是连接速度。通常，小容量的NOR在loT中被广泛地用于存 储启动和运行系统的操作代码。智能音箱在音乐播放基础功能之外具有基于语音识别的多重功能，通常能够作为智能家居和物联网 入口，并能提供在第三方集成的OEM语音服务。NOR的快速读取有助于减小延迟并加快智能音箱 的启动。Amzon Echo Show的16Mb NOR主要用于存储引导程序和操作系统内核文件。无线路由器作为连接2个或多个网络的硬件设备，在loT中居于核心地位。普联路由器N300 Nano 的8 MB NOR主要用于存储引导程序，开启运行代码。
汽车不同于手机，熄火驻车后立即关闭主控电子系统，而每次发动则需要快速启动ADAS系统界面。车载 系统的快速启动对代码的快速读取有要求，而NOR在此方面具备天然优势。车载应用对NOR的温度区间要求至少达到“-40℃-105℃”，满足诸如AEC-Q100车规认证。车用级 NOR在可靠性要求方面必须达到0dppm，远高于消费类应用的100-200dppm。单台车也可以配置多个独立的ADAS系统，组成更复杂和可靠的自动驾驶系统。单个ADAS系统需相应配置一颗或多颗NOR以实现更复杂的功能，平均NOR容量在32-128Mb之间，高 端ADAS系统可配置1Gb容量的NOR。
5G基站系统受FPGA/SoC调用，FPGA和SoC在每次系统启动时需要进行配置。不同于NAND和 SD卡，NOR可以在5G设备的初始响应和启动时提供更高可靠性和更低延时的启动配置支撑。同时 工业级或车规级的NOR可以运行在（-40°C-105°C）的恶劣环境，并能在市场上存活10年或更长 时间，满足5G基站对产品必须具备“高容量+高性能+高可靠”特性。目前，5G设备中运用的MirrorBit技术与浮栅技术相比支持更大的密度缩放。更高的密度可实现5G 无线基础设施所需的单芯片1Gb和更高密度的NOR产品。每座5G基站中需搭配至少5颗1Gb容量 以上的NOR存储器。
目前智能手机主流摄像头主要在对焦速度和暗光拍摄成像质量上具有一定缺陷。未来消费电子摄像头升级 有3大趋势。1）多摄协同；2）相位对焦或全像素对焦技术提升；3）像素提升。摄像头数量和拍摄质量的升级对企业的图像集成处理能力和精密算法要求提出了更高的要求。NOR作为 专用图像内存将在未来成为标配，成为NOR在消费电子领域的一大增量需求。
两强研发3D NOR Flash
目前来看，英飞凌有意缩减NOR Flash产能、美光也走向高品质小产能的路线，而全球NOR Flash前两强华邦电和旺宏仍持续固守NOR Flash战场，特别是汽车电子市场。
最近，旺宏董事长吴敏求表示，NOR Flash制程走到45nm已不易再微缩下去，因为成本会大幅提升。但汽车电子及人工智能等新应用需求将推升NOR Flash市场持续增长，旺宏已投入3D NOR Flash研发，以跨越无法微缩的障碍。
NOR Flash约占旺宏总营收的50%。
吴敏求看好2022年NOR Flash市况，特别是汽车芯片缺货会持续到2022年，所有与汽车有关的大客户都来找旺宏，使其NOR Flash缺货情况将一直延续到明年，价格也将调涨。
据悉，旺宏在NOR Flash方面的创新包括投入垂直2T架构制程并转为低功耗，通过3D堆叠达到高密度，采用micro heater技术提升产品耐久性。该公司计划两年内推出3D NOR Flash，预计采用45nm制程工艺。
据悉，旺宏在2Gb及4Gb先进NOR Flash技术方面已抢得先机，将在明年陆续推出相关产品。
工艺方面，旺宏推出了AND架构，这是一种早期的闪存电路技术，可提供位级访问，类似技术已经应用于环栅 (GAA) 3D NAND 结构的堆叠工艺。
与典型的3D NAND闪存一样，这种3D NOR堆叠单元是通过在氧化物和氮化物层的多层夹层中打孔然后填充深孔来形成的。不过，旺宏的实验架构不是由多晶硅构成的均质圆柱体，而是由几个不同的异质结形成的，其中两个是 N+ 掺杂的，用作多个堆叠晶体管的源极和漏极，中间由氮化硅绝缘体柱隔开。
图：3D AND Flash结构
在AND结构中，每个晶体管都具有成对的源极线和正交的漏极连接位线。源是单独解码的，而不是有一个公共源。多晶硅“插头”连接每个堆栈中晶体管的源极和漏极。为了像NOR Flash一样运行，该结构需要采用一些电路级和编程技术。
最初，旺宏是在一个8层结构上开发的，目前已经完成了34层堆栈的工作，这似乎是可行的。旺宏认为，在70层以上时，该公司提出的3D NOR Flash将挑战20nm半间距的两层交叉点相变存储器。进一步的改进可能来自铁电晶体管，它允许更低的电压操作和更快的写入速度。
下面看一下全球NOR Flash龙头华邦电。该公司也在45nm制程NOR Flash方面投入了巨资，容量大概是32Mb - 2Gb。
该公司认为，在大多数闪存供应商看来，对于NOR Flash而言，45nm很可能是最后一个技术节点了，与之相比，SLC NAND Flash还有制程微缩空间，在24nm之后，至少还可以进一步微缩一代制程。
相对于旺宏，华邦电虽然也在先进NOR Flash方面进行投资，但力度似乎不如前者那么大，其更侧重于采用先进制程的NAND Flash的研发。因为自从2008年45nm制程NOR Flash出现后，就再也没有更先进制程的产品出现，其制程进一步微缩的难度不小。
因此，华邦电研发45nm制程的NOR Flash，是否与旺宏的3D堆叠技术路线一样，还有待观察。
结语
当下，NOR Flash遇上了很好的发展机遇，无论是过去的两年，还是未来几年，各种新兴应用都呈现了，或即将呈现出爆发式增长，这给局限与特色同样凸出的NOR Flash提供了广阔的增长空间。未来几年，采用传统制程工艺的2D NOR Flash仍将是市场的主流，而随着汽车电子和人工智能的发展，给了3D NOR Flash发展空间，具体发展情况如何，就看中国台湾地区这两大NOR Flash玩家的了。
