NOR Flash也要创新了
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文｜半导体产业纵横
Flash存储芯片已经成为整个电子半导体产业链非常重要的一环，其中，NAND Flash的市场容量非常庞大。实际上，Flash不止有NAND，NOR Flash也是一个分支，但其市场容量相对较小。不过，随着近些年各种新兴应用的快速发展，NOR Flash的市场需求量和重要性日益突出，行业关注度不断提升。
NOR Flash简介
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1~16Mb的小容量应用方面具有很高的成本效益。
而与NAND相比，NOR的成本较高，容量小，且写入速度慢，虽然NOR Flash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。
传统上，NOR Flash主要用于功能手机、电视、机顶盒、USB Key等小容量代码存储。在功能手机时代，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，虽然读取速度低于并行的，但凭借高性价比，已成为市场和应用的首选。
制程方面，NOR Flash对先进节点的要求不高，一般采用55nm和65nm，最前沿的制程也就到45nm了，再进一步演进很困难。
市场格局
全球90%的NOR Flash市场被旺宏（Macronix）和华邦电子（Winbond）、Cypress（已经被英飞凌收购）、美光和兆易创新这五大厂商占据。高容量NOR Flash市场主要由Cypress和美光把持着，这类产品主要针对汽车、工控和航天应用；旺宏和华邦则以生产中等容量的NOR Flash为主，兆易创新早期依靠低容量产品切入该市场，正在向高端领域前进。旺宏、华邦和兆易创新这三家更专注于消费类电子产品应用市场。
近些年，在物联网和消费类电子产品需求，特别是各种新兴应用的带动下，NOR Flash迎来了谷底反转的契机，不仅中高容量价格稳定，低容量NOR Flash的价格跌幅也大幅收窄，特别是在TWS蓝牙耳机大量出货的带动下，给NOR Flash带来了巨大商机。这些给专注于消费类电子应用的厂商带来了更多商机，特别是原本排名较为靠后的兆易创新，2019年就上升到了行业前三的位置。
来源：CINNO
2021年，兆易创新进一步巩固了行业地位。
驱动力
由于NOR Flash容量小、成本高，一度被大厂边缘化，但随着5G、AMOLED和自动驾驶汽车等新兴市场的快速发展，NOR Flash重新唤起了市场的关注。
TWS蓝牙耳机
从2018年开始，在消费类电子产品市场，TWS蓝牙耳机开始火爆起来，有统计显示，到2022年，全球TWS蓝牙耳机市场规模有望超过2000亿元。
TWS蓝牙耳机必须配备NOR Flash，这是因为其功能较多，为了存储更多固件和代码程序，就需要外扩一颗串行NOR Flash。
随着TWS蓝牙耳机功能的进一步增加，需要更多的存储容量。以安卓手机用TWS蓝牙耳机为例，一般采用8Mb或16Mb的NOR Flash，随着功能增多，需要用到32Mb、64Mb，甚至128Mb的。
有统计显示，2020年，新款AirPods的NOR Flash容量提升至256Mb，安卓市场在2019~2021年平均NOR Flash容量分别为16Mb、32Mb和64Mb，而相应的市场规模分别为675万、2062万和5099万美元。综合AirPods的市场规模，TWS蓝牙耳机用NOR Flash的市场规模在2021年突破了2亿美元。
AMOLED
由于工艺原因，AMOLED显示存在亮度均匀性和残像两大难题，需要进行补偿，补偿方法分为内部补偿和外部补偿。内部补偿的效果不好，难以解决残像问题；外部补偿则具有像素结构简单，驱动速度快和补偿范围大的优点，是实际应用中的首选。
外部补偿时，需要外挂一颗NOR Flash，以避免AMOLED面板的蓝色光会随时间消退的问题。在Full HD情况下，需要用8Mb的NOR Flash，而QHD则需要用到16Mb的NOR Flash。
AMOLED在智能手机当中的应用越来越普遍，这就带动了中端NOR Flash需求的增长，其年复合增长率达到了24%。
TDDI
TDDI是触控与显示驱动集成的缩写，它将原本分离的手机触控IC和显示IC整合成了SoC。而随着技术的持续优化，TDDI芯片的成本不断下降。
由于TDDI触控功能编码所需容量较大，无法一并整合进TDDI芯片，需要外挂一个4~16Mb的NOR Flash进行存储，并辅助TDDI进行参数调整。
5G
5G也是NOR Flash的一大发展动力，目前，5G基站使用的NOR Flash，大约是1~2G的产品，全球能生产该规格产品的厂商并不多，目前，全球生产5G基站的厂商，大约有八成以上向旺宏下订单NOR Flash。
汽车电子
由于NOR Flash可靠性更好，使得中高容量的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。
据IHS统计，2022年全球汽车电子市场规模达到1602亿美元，其中增速最高的是ADAS，2022年达到214.47亿美元，年复合增长率达到20.27%。ADAS系统中的导航、行车记录、影像处理、车道偏移警示等功能，都需要采用512Mb或更高容量的NOR Flash。汽车电子市场的规模及其快速增长态势将带动NOR Flash等存储器需求量大幅提升。
市场动向
总体来看，2018 年之前，NOR Flash市场需求较为疲软，而供货商的产能却在提升，导致2018年NOR Flash的价格进入下行周期。集邦咨询的数据显示，NOR Flash价格在2019年第三季度开始回升。从旺宏、华邦和兆易创新的营收增速也能看出这一趋势，这三家的营收增速均从2019年第二季度开始好转，第三季度的营收增速仍在提升，这表明NOR Flash市场进入上行周期。
预计未来中高端NOR Flash有望维持高价位，低端NOR Flash受cost-down系列低价产品上市，以及新产能陆续投产的影响，价格将下滑。
3D堆叠
近些年，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已经被广泛采用，各大存储器厂商都在将主要精力和资源投入到这方面的研发和生产。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，如旺宏和华邦电子，在大力投入研发，其它厂商多处于观望状态。
旺宏董事长吴敏求表示，NOR Flash制程发展到45nm已经很难再微缩下去，因为成本会大幅提升。但汽车电子和人工智能等新兴应用需求将带动NOR Flash市场持续增长，旺宏已投入3D NOR Flash研发，以应对制程节点难以进一步微缩的障碍。
据悉，旺宏在3D NOR Flash方面的创新包括投入垂直2T架构和低功耗制程技术研究，通过3D堆叠实现更高的存储密度，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，已经推出相关样品，量产产品也会陆续问世。
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。
最初，旺宏是在一个8层结构上开发的，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存储器晶体管，它允许更低的电压操作和更快的写入速度。
华邦电子也在45nm制程NOR Flash方面投入了巨资，容量大概是32Mb - 2Gb。
华邦电子认为，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，华邦电子虽然也在先进NOR Flash方面进行投资，但力度似乎不如前者那么大，后者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很大。
结语
相对于NAND Flash，“小而美”的NOR Flash优势作用越来越凸出，其市场需求量正在随着各种应用的发展而增加。
市场关注度和需求的提升，使得各大NOR Flash厂商有了进一步加大研发投入力度的动力和积极性，相关产品和新技术演进更具活力。
市场需求带动NOR Flash制程工艺技术继续演进，龙头企业开始探索类似于NAND Flash的3D堆叠架构技术，这对于市场容量相对较小的NOR Flash而言，具有更强的象征意义，随着应用的进一步发展，NOR Flash的市场规模是否会有较大幅度的提升呢？拭目以待。
