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兆易创新100亿颗NOR Flash争天下?战斗机xSPI发力5G、AI、IoT、人工智能

来源: 芯扒客 2019/4/26 浏览量:3532 关键词: 兆易创新 NOR Flash

4月3日,兆易创新收购上海思立微重组案件获得有条件通过,可谓闹得沸沸扬扬,一波三折。兆易创新核心技术遭质疑,被汇顶科技逼迫“二进宫”,可谓险棋一招。在中国半导体产业长期严重依赖进口的背景下,兆易创新曾被视为中国存储的“芯”希望,在存储芯片里,主要分为DRAM、NAND、NORFlash三种。尽管存储芯片市场广阔,但属于寡头玩家的天下。

 

其中,DRAM市场规模最大,市场份额也主要被三星、美光科技等大厂瓜分殆尽。NANDFlash99%的市场份额则被三星、东芝、美光SK海力士占据。具体细分来看,市场规模最小的NOR Flash也分为高端、中端、低端三档,多重夹击下,兆易创新瞄准了低端领域的市场。

 

据TrendForce数据显示,2016年,NOR Flash全球市场份额中,兆易创新占比为7%。兆易创新的成绩已算斐然,接下来,在“第八届年度中国电子ICT媒体论坛暨2019产业和技术展望研讨会”上,兆易创新存储事业部资深产品市场总监“陈晖”在现场为大家带来了关于“SPI NOR Flash如何应对高性能应用领域的趋势和需求”的精彩演讲。

 

兆易创新存储事业部资深产品市场总监“陈晖”

 

累积出货量100亿颗,SPI NOR Flash是一个大行业

 

半导体芯片的制程基本分为两大类:逻辑制程和Flash制程,存储器制程永远落后在逻辑制程后面。最新的逻辑制程有10nm、5nm、7nm,目前的Flash使用的FinFet是早期发明的,很大程度限制了缩小晶体管尺寸,图1中的红线上,制程从2004年的130nm发展到90nm、65nm、55nm、45nm几个主要的节点,再往下也很难到30nm以下。

 

这张图的意思就是说,逻辑制程和Flash制程不能混合放在一颗芯片上,非常高深的这些制程或是很高级的逻辑芯片,很遗憾它不能同时附属一个Flash,这时候需要一个外面的Flash支持它的代码存储。

 

 

2004年开始,SPI NOR Flash在全球的出货量从无到有,刚开始推广SPI NOR Flash就达到60亿颗以上,平均地球上每人可以分到一颗。所以NORFlash是高可靠性的系统代码存储媒介,优点是指令协议简单、信号引脚少、体积小,符合这些新的电子设备对体积的要求。

   

 

SPI NOR Flash的应用领域非常广泛,每一个新兴的电子设备里面,都是用数码设备,都需要有一颗Flash来存储代码,就是这一颗小小的代码,兆易创新去年出货量大概达到了20亿颗,仅用一年的时间。如此累计来看,在八九年的时间里累计出货量可超过了100亿颗!从市场量来分析,SPI NOR Flash还是一个大的行业。

 

SPI接口的更新演替,走过4代风雨

 

SPI接口的发明在80年代。在2000年,SPI接口属于单通道,数据吞吐率仅有2.5MB/s,频率跑到20Mhz,数据吞吐量非常低,如果用交通工具来比喻那就是牛车。到2004年,单通道已经满足不了市场需求,兆易创新作为SPI领域的研发人员,希望加大数据吞吐量,从一根数据线变成两根数据线,而且把频率也加高到50MHz,这时能达到12.5MB。不过以现在的标准看顶多也就是电单车的水平。

 

 

在2009年,就有标准的四通道SPI接口,如图2,有四根红线,四个数据通道,直到十年后的今天,还有很多设计工程师,在用这个标准来进行他们的SPI的应用。数据吞吐量可以看到达到52MB/s,这时候两个时钟,通过四口可以得到一个数据data,所以2009年的技术水平基本上已经从两轮变到四轮了,开始开汽车了。

 

 

2015-2016年之间,四口的基础上又加入了一个DTR的概念,在上升和下降沿都可以采集数据,数据吞吐量可以达到80MB/s,算是一辆比刚才那辆跑得更快的汽车。

   

 

到2018年,从原本的四个IO变到了八个IO,它同时也是DTR,频率一下子跳到了200MHz,数据吞吐率达到了400MB/s,这就是全新一代超高速SPI接口标准xSPI(x的寓意:高性能、高品质)。这时已经不是汽车了,而是属于SPI里面战斗机的级别了。

 

 

自80年代发明SPI这个协议,经过了大概四五代到第六代产品,基本上是这样一个顺序:数据吞吐量从最初的2.5MB发展到今天的200或400MB,系统如果能够用到八口,能够用到200MHz,就可以最大程度上发挥Flash的读取性能。

 

xSPI实现真正AI功能

 

陈晖讲到:不管是AI、5G或是车载、IoT,都希望产品性能越来越好、越来越快,这其实跟人的本质有关系,我们用什么东西总希望它反应越快越好。

就好比用前一代的104MHz四口从Flash里面读出数据需要超过五秒钟,用最新的八口协议“200MHzDTR”不到一秒钟就能读取,自然更快速度反而更愿意被人接受。

 

 

再看一下这个框图,在汽车里面MCU是核心,会有一个外挂的Flash,Flash是存储代码,Flash上线以后要有一个启动的过程,黄色的箭头就是要把显示屏的数据从Flash全部存到DRAM里面去,然后通过图形控制器把图点亮,现在的仪表盘也是分辨率越来越高,有2K甚至4K的显示屏都在研发当中。这边就是一个很简单的Flash的分区,里面有一大部分是要放图像的数据。

 

   

再直观地看一下,汽车现在按钮一按,显示屏有动画、有导航,各种各样的信息都要显示出来。用前一代产品来做,需要等待超过五秒钟,用新一代八口的产品来处理就可以达到一个人能接受的速度,非常快的速度,能够把这个汽车启动的工作完成。Flash会和各种应用打交道,只有用新一代八口的高速率的传输,才能够保证这颗AI芯片真正地动起来,能够达到一个接近人脑的水平。同样的对比,8口高性能的xSPI能让系统响应非常迅速,真正实现AI功能。

   

 

向IoT、车载、人工智能发力,实现SPI NOR Flash利好

   

陈晖讲到:“IoT的系框图跟前两个框图不太一样,你看到有Flash、有DRAM,但DRAM是用虚线画的,另外SoC和Sensor是必不可少的部分,DRAM为什么画成虚线呢?因为DRAM,IoT应用受到系统成本的约束非常大,因为它非常多、非常小,不希望把DRAM作为一个负担,所以这时主芯片会从flash里直接调用系统代码,直接进行本地执行,这就是一个XiP的概念,就是把flash里面存储的系统代码按指令把它读到指定的Cache里面去执行。这样,在flash这个分区里的系统代码部分,就可以看到它有不同的指令,在不同的地址,是可以支持随机读取指令的器件。

   

 

对比一下xSPI,传统的四通道器件,在正常的时间内,需要从Flash里面读第一个指令,绿色这段时间是SOC要执行这个指令,同样的第二条指令要花蓝色的这段时间来读,绿色的时间是执行,如果用了八口的新一代的高速Flash,可以看到在同样的时间之内,原来两次执行指令变成了三次执行指令,蓝色部分虽然同样是读32Byte可以读三次,因为它的时间非常短,所以新一代产品可以帮助IoT的本地代码执行,更高效地提高SoC的运行效率,这样IoT器件反应非常快,还有穿戴式的产品,同样也会得到很多好处。

 

    

物联网部署的快速推进随之产生的是海量的数据信息,大容量高性能NOR Flash可以用来存储代码及部分数据,具备随机存储、可靠性强、读取速度快、可执行代码等特性,在自动驾驶、5G以及人工智能等各大新势能应用的驱动与接口技术不断升级换代的助力下,NORFlash再次聚焦于市场镁光灯之下,被认为是万物互联时代物联网设备代码存储应用的首选。

 

值得提及的是,兆易创新GD25全系列SPI NOR Flash产品已完成AEC-Q100认证,是目前唯一的全国产化车规闪存产品,为汽车前装市场以及需要车规级产品的特定应用提供高性能和高可靠性的闪存解决方案。兆易创新通过提供GD25全系列SPINOR Flash的车规产品解决方案,大大加快了汽车行业用户的研发速度和产品上市时间,并提高了系统的性能与可靠性。这对于整个国产闪存芯片行业来说,具有重要的意义。

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