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NAND statt NOR: Flash-Speicher für anspruchsvolle Anwendungen

Autor / Redakteur: Anil Gupta * / Michael Eckstein

Die Skalierung von NOR-Flash ist ausgereizt. Eignet sich NAND-Flash als Alternative für anspruchsvolle Applikationen, beispielsweise das Speichern von Anwendungs-Code in Automotive-Systemen?

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Echte Alternative: Das QspiNAND-Flash eignet sich zum Speichern von systemkritischem Code, wenn Anwendungen Speicherdichten von 512 MBit oder mehr verlangen – etwa in Automotive- oder IoT-Geräten.
Echte Alternative: Das QspiNAND-Flash eignet sich zum Speichern von systemkritischem Code, wenn Anwendungen Speicherdichten von 512 MBit oder mehr verlangen – etwa in Automotive- oder IoT-Geräten.
(Bild: Winbond)

NOR und NAND: Jeder erfahrene Systementwickler kennt die beiden Hauptkategorien von nicht-flüchtigem Flash-Speicher. NOR-Flash ist robust und zuverlässig und speichert Daten für lange Zeit. Es wird in vergleichsweise geringen Dichten von 256 MBit und weniger hergestellt, und die Kosten pro Bit sind relativ hoch. NAND-Flash ist hingegen eher für Bitfehler anfällig, kann aber hohe Speicherdichten bereitstellen. 2020 sind 3D-NAND-Bauteile in Dichten bis 8 Tb und zu sehr niedrigen Kosten pro Bit verfügbar. Das gibt den Entwicklern bei der Auswahl des Flash-Speichers für eine gegebene Anwendung eine einfache Regel an die Hand:

zum Speichern von Code wird NOR-Flash eingesetzt, um hohe Zuverlässigkeit und eine lange Datenerhaltung zu erreichen. Es eignet sich auch für häufiges Programmieren und Löschen.

Zum Speichern von Daten wird NAND-Flash wegen seiner Fähigkeit eingesetzt, hohe Kapazitäten zu sehr niedrigen Kosten bereitzustellen. Wichtig: Die Anwendung muss eine hohe Bitfehlerrate zulassen.

So kann man die allgemeinen Annahmen in der Branche zum Einsatz von NOR und NAND umreißen. Und wie die meisten Annahmen trifft sie nur teilweise zu. Tatsächlich entwickeln sich die Technologien von NOR- und NAND-Flash-Speicher mit unterschiedlicher Geschwindigkeit weiter, was sich auf ihre jeweiligen Vor- und Nachteile auswirkt.

Unter gewissen Umständen kann heute ein bestimmter Typ von NAND-Flash-IC zum Speichern von missionskritischem Code gegenüber einem NOR-Flash-Bauteil die bessere Lösung sein. Solche NAND-Chips sind von der Leistung her so zuverlässig und robust wie NOR-Flash-ICs, mit vergleichbarer Wiederbeschreibbarkeit, jedoch zu weniger als den halben Kosten pro Bit. Dieser Artikel beschreibt diese Umstände und die Gründe, warum NOR-Flash nicht in allen Fällen als die richtige Technologie zum Speichern von Code angesehen werden kann.

Warum die Wahl der Flash- Technologie heute wichtig ist

In vielen Embedded-Anwendungen ist die Möglichkeit, SPI-NOR-Flash zum Speichern von Code durch serielles NAND-Flash mit einer SPI-Schnittstelle zu ersetzen, von geringer oder keiner Bedeutung. Bei Embedded-Entwicklungen mit einer Code-Basis bis 256 MBit wäre eine Lösung mit NAND-Flash nicht billiger als die entsprechende NOR-Flash-Schaltung. Bei niedrigen Dichten von 256 MBit und weniger haben Peripheriefunktionen wie Logik und eine Ladungspumpe einen hohen Anteil an den Kosten des Chips, und das Speicher-Array allein hat keinen bestimmenden Anteil. Je geringer die Speicherdichte, umso mehr ist dies der Fall.

Hier hat die geringere Größe der NAND-Speicherzelle gegenüber einer NOR-Speicherzelle einen vernachlässigbaren Nutzen. Bei Dichten von 512 MBit und mehr belegt das Speicher-Array hingegen den größten Teil der Die-Fläche, sodass die niedrigeren Kosten per Bit einer NAND-Flash-Zelle einen klaren Vorteil gegenüber NOR-Flash verschaffen.

Für eine neue Kategorie von Embedded-Anwendungen reicht eine Speicherkapazität von 256 MBit jedoch nicht aus. Das zeigt sich am deutlichsten bei den Fahrzeugsystemen, die sich heute in der Entwicklung befinden. Hochentwickelte automotive Anwendungen von fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) bis zu Systemen zum vollautonomen Fahren erfordern eine sehr viel größere Codebasis. Mittlerweile spezifizieren OEM automotiver Systeme Speichersysteme zur Code-Speicherung mit einer Kapazität von bis zu 2 GBit (oder 256 MByte).

Daher wünschen sich die Entwickler automotiver Systeme, die in einer sehr kostenbewussten Umgebung arbeiten, NOR-Flash mit höheren Dichten zu niedrigeren Kosten oder kostengünstigeres NAND, das sich für die Codespeicherung eignet. Und hier kollidieren die Wünsche der Entwickler mit der harten Realität der Geschwindigkeit, mit der sich die NOR-Flash-Technologie weiterentwickelt.

Das Ende der Skalierung beim NOR-Prozess

Eine weitere Miniaturisierung des Prozesses ist das seit langem bewährte Verfahren der Halbleiterindustrie, immer mehr Funktionalität zu immer niedrigeren Kosten zu liefern. Viele Jahre lang galt das für NOR-Flash-ICs ebenso wie für jede andere Art von Halbleitern. 1986 war der 1,5-µm-Node die fortschrittlichste Technologie für die Herstellung von NOR-Flash. Rund zwei Jahrzehnte später wurden NOR-Flash-Bauteile im 65-nm-Node gefertigt. Seither hat sich die Entwicklung bei NAND-Flash fortgesetzt. Heute werden die 3D-NAND-Flash-ICs mit der höchsten Dichte, die in Smartphones und Computergeräten eingesetzt werden, im 1x-nm-Node produziert.

Die Skalierung beim NOR-Flash ist hingegen zum Stillstand gekommen. Die Implementierung des 65-nm-Nodes hat sich bereits als sehr viel schwieriger erwiesen, als bei allen vorherigen Nodes. 2008 hat Intel ein Papier mit der Beschreibung eines neuen 45-nm-Prozesses zur Herstellung von Flash veröffentlicht. Rund zehn Jahre später lieferten nur zwei Hersteller Produkte mit 45-nm-NOR-Flash. Die Industrie hat feststellen müssen, dass die Abmessungen bestimmter Elemente einer NOR-Flash-Schaltung die Möglichkeiten zur Fertigung an ihre Grenzen bringen. Wenn 65 nm bereits eine Hürde bei der Skalierung von NOR war, scheint 45 nm eine endgültige Barriere zu sein, und es gibt heute keine Aussicht, NOR-Flash über diesen Node hinaus zu skalieren.

Für die Hersteller automotiver Systeme heißt das, dass es bei den Kosten pro Bit von NOR-Flash keine weitere Reduzierung nach Moores Gesetz geben wird, und die Auswirkungen steigender Anforderungen für die Codespeicherung durch die Einführung fortschrittlicher Anwendungen, z.B. zum autonomen Fahren, werden sich durch eine weitere Skalierung des Prozesses nicht ausgleichen lassen.

Kann NAND-Flash mit seinen viel niedrigeren Kosten pro Bit für die Codespeicherung in diesen sicherheitskritischen Anwendungen NOR-Flash ersetzen? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir den Mechanismus verstehen, nach dem Daten in einem NAND-Flash-IC verlorengehen können.

Verbreitete Ausfallmodi von NAND-Flash-Speicher

Es gibt zwei Hauptmechanismen, nach denen im normalen Betrieb eines Flash-ICs Bitfehler auftreten können: Erstens beim Schreiben in das Speicher-Array und zweitens durch das Abfließen von Elektronen aus den Flash-Speicherzellen, was nach einiger Zeit zu einem Datenverlust führen kann, durch den Lesefehler entstehen. Der Betrieb bei sehr hohen Temperaturen beschleunigt diesen Vorgang und verkürzt daher die durchschnittliche Datenerhaltung in den Zellen von Flash-Bauteilen.

Das Risiko des Datenverlusts durch Bitfehler beim Lesen lässt sich durch die Implementierung eines robusten Fehlerkorrekturcodes (ECC) beseitigen. Alle seriellen NAND-Flash-Bauteile von Winbond in der 46-nm-Technologie haben onboard einen 1-Bit-ECC.

Bild 1: Vergleich der Zellengrößen von NOR und NAND mit Extrapolation der NOR-Zellengröße, wenn die NOR-Technologie auf 2x nm skaliert würde. Wenn ein NOR-Bauteil mit 2x nm produziert werden könnte, wäre seine Zellengröße mit der von heutigen 4x nm seriellen NAND-Bauteilen vergleichbar.
Bild 1: Vergleich der Zellengrößen von NOR und NAND mit Extrapolation der NOR-Zellengröße, wenn die NOR-Technologie auf 2x nm skaliert würde. Wenn ein NOR-Bauteil mit 2x nm produziert werden könnte, wäre seine Zellengröße mit der von heutigen 4x nm seriellen NAND-Bauteilen vergleichbar.
(Bild: Winbond)

Das Abfließen von Elektronen kann hingegen nicht verhindert werden. Aber wie hoch ist das dadurch entstehende Risiko? Das ist einfach eine Frage der Berechnung der anfänglichen Anzahl von Elektronen in einer Zelle nach der Programmierung und der Rate, mit der sie abfließen. Einfach gesagt, wenn eine Zelle mit vielen Elektronen beginnt und diese mit niedriger Rate abfließen, wird es lange dauern, bis die Ladung in der Zelle soweit abgesunken ist, dass sie nicht mehr zuverlässig ausgelesen werden kann.

Die Elektronenzahl zu Beginn ist eine Funktion der Zellengröße. Wie Bild 1 zeigt, ist eine serielle NAND-Zelle bei jedem Prozessnode kleiner als eine SPI-NOR-Zelle. Dies ist ein grundlegendes Merkmal der beiden Technologien, das erklärt, warum NAND niedrige Kosten pro Bit erlaubt – denn ein kleineres Die ist ein billigeres Die.

Bild 2: Selbst beim 3x-nm-Node nimmt eine NAND-Flash-Zelle über 500 Elektronen auf, was der erforderlichen Anzahl für die Klassifizierung als ‚High Quality‘-Speicher entspricht (Vt Shift von 4 V).
Bild 2: Selbst beim 3x-nm-Node nimmt eine NAND-Flash-Zelle über 500 Elektronen auf, was der erforderlichen Anzahl für die Klassifizierung als ‚High Quality‘-Speicher entspricht (Vt Shift von 4 V).
(Bild: Winbond)

Bild 2 zeigt einen Vergleich der Elektronenzahl von SPI-NOR und SLC (Single-Level Cell) seriellen Flash-Bauteilen. Dies trägt zur Erklärung von NOR-Flash als dem ‚zuverlässigen‘ Speichertyp bei. Ein im 130-nm-Node gefertigtes NOR-Flash-IC würde pro Zelle 4.000 Elektronen aufnehmen. Wenn man die Abflussrate vorsichtig mit einem 1 Elektron pro Monat oder 120 Elektronen über 10 Jahre ansetzt, sind die Auswirkungen des Abfließens auf die Ladung in der Zelle vernachlässigbar.

Das Abfließen von Elektronen wird jedoch mit kleinerer Prozessgeometrie zu einem immer akuteren Problem, denn kleinere Zellen nehmen weniger Ladung auf. Dies gilt für NOR-Flash ebenso wie für NAND-Flash. Die winzigen Strukturen heutiger 1x-nm-MLC – oder TLC (Three-Level-Cell) NAND-Flash-ICs können unter einigen Betriebsbedingungen zu spezifizierten Datenerhaltungszeiten von nur wenigen Stunden oder Tagen führen.

Diese aktuell führenden Bauteile erfordern komplexe Scan- und Refresh-Mechanismen, um die Zellen regelmäßig wieder aufzuladen. Missionskritische automotive Anwendungen erlauben jedoch keinerlei Datenverlust über eine lange Produktlebensdauer von mindestens zehn Jahren. Hinzu kommt, dass die Entwickler im Automotive-Bereich sich nicht mit den Problemen und Risiken der Implementierung von Scan- und Refresh-Funktionen befassen wollen.

Was ist also die erforderliche Mindestanzahl an Elektronen, um Speicher als ‚High Quality‘-Speicher für den Einsatz in Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit zu qualifizieren? Die wissenschaftliche Literatur und die Erfahrung legen nahe, dass 500 Elektronen pro Zelle als Schwellwert für die Qualität betrachtet werden können, da eine solche Zelle bei einem angenommenen Verlust von einem Elektron pro Monat nach 10 Jahren immer noch 75% der gespeicherten Elektronen enthalten würde. Bild 2 zeigt, dass serielles NAND mit 46 nm und 3x nm diesen Wert übertrifft.

Bild 3: Die Grafik zeigt, dass die Datenerhaltung von Winbond seriellen HQ-NAND-Bauteilen mit den heutigen NOR-Flash-Bauteilen mit 65 nm und weniger vergleichbar ist.
Bild 3: Die Grafik zeigt, dass die Datenerhaltung von Winbond seriellen HQ-NAND-Bauteilen mit den heutigen NOR-Flash-Bauteilen mit 65 nm und weniger vergleichbar ist.
(Bild: Winbond)

Dieser Schwellwert für die Qualität von Flash-Speicher entspricht der Leistung einer neuen Klasse von HQ SLC seriellen NAND-Flash-Bauteilen (HQ = High Quality), die Winbond entwickelt hat und im eigenen 46-nm-Prozess fertigt. Diese Bauteile durchlaufen spezielle Auswahl- und Testverfahren. Bild 3 zeigt, dass die Datenerhaltung von Winbond HQ seriellen NAND-Bauteilen mit der heutiger NOR-Flash-Bauteile mit 65 nm und weniger vergleichbar ist.

Relevanter für fortschrittliche Anwendungen zur Speicherung von Code im Automotive-Bereich ist die Tatsache, dass die Datenerhaltung von HQ seriellem NAND bei maximal 100 Programmier-/Löschzyklen (P/E) und einer hohen Betriebstemperatur von 85 °C einen Wert von 25 Jahren erreicht. In einer Automotive-Anwendung ist es äußerst unwahrscheinlich, dass der Code tatsächlich 100 P/E-Zyklen erfährt. Tests bei Winbond haben auch gezeigt, dass die Datenerhaltung bei 70 °C und über 10.000 Schreib/Lösch-Zyklen mehr als 15 Jahre beträgt, was der Leistung heute auf dem Markt verfügbarer NOR-Flash-Produkte entspricht.

Die Winbond HQ seriellen NAND-Flash-Bauteile bieten dieselben Kostenvorteile gegenüber NOR-Flash wie jeder andere NAND-Typ, z.B. ONFi NAND-Flash. Die Kosten pro Bit eines seriellen NAND-Flash-IC von Winbond betragen gemeinhin weniger als die Hälfte einer entsprechenden SPI-NOR-Flash-Lösung bei Speicherdichten von 512 MBit und mehr.

Einfache Implementierung automotiver Schaltungen

Dank weiterer Merkmale lassen sich die Winbond HQ seriellen NAND-Bauteile in automotiven Schaltungen genauso einfach integrieren wie NOR-Flash-Bauteile. Im Lieferzustand und für bis zu 100 PE-Zyklen wird garantiert, dass sie keine defekten Blocks enthalten. Für Anwendungen zur Speicherung von Code heißt das, dass in einem SoC oder Mikrocontroller kein Bad-Block-Management (BBM) implementiert werden muss. Mit einem herkömmlichen seriellen NAND-Bauteil wäre ein BBM normalerweise erforderlich.

Die Winbond-Bauteile unterstützen – dank zusätzlicher Features wie dem automatischen Laden von Seite 0 beim Einschalten, On-Chip ECC und NOR-Flash-kompatiblen Lesebefehlen – das direkte Booten aus dem seriellen NAND-Flash. Winbond HQ serielle NAND-Flash-Bauteile sind für den Einsatz in Anwendungen mit Code-Shadowing vorgesehen, bei denen das SoC oder der Host-Prozessor durch DRAM unterstützt wird.

Bei einer Migration von SPI NOR-Bausteinen mit Dichten von 256 MBit (32 MByte) und weniger zu seriellen NAND-Bausteinen mit 512 MBit oder 1 GBit bleiben Anschlussbelegung und Platzbedarf gleich, was die Umstellung von SPI-NOR auf serielles NAND erheblich vereinfacht.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 21/2020 (Download PDF)

Großer Kostenvorteil ohne Leistungseinbuße

Die Barriere beim Skalieren von NOR-Flash über den 45-nm-Node hinaus führt dazu, dass Hersteller von Automotive-Systemen vor dem Problem höherer Materialkosten stehen, wenn sie entscheiden, die erforderliche höhere Kapazität zur Codespeicherung in neuen Anwendungen mit teuren SPI-NOR-Flash-Bauteilen zu realisieren. Mit Kosten pro Bit, die typisch weniger als die Hälfte von SPI-NOR-Flash bei Dichten von 512 MBit, 1 GBit und 2 GBit betragen, eröffnen die Winbond HQ seriellen NAND-Flash-Bauteile den Automotive-Herstellern eine neue Möglichkeit, ausreichende Speicherkapazität für Code zu deutlich niedrigeren Kosten zu realisieren und gleichzeitig die für sicherheitskritische Automotive-Systeme vorgeschriebenen sehr hohen Standards zur Zuverlässigkeit und Robustheit zu erfüllen.

* Anil Gupta ist Technischer Manager bei Winbond

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