從2D到3D NOR快閃記憶體的轉變

在不斷發展的電子技術領域，對更高性能、更大儲存密度和更小電路板面積的需求正在不斷推動現有技術的邊界。隨著系統複雜性的增加，能夠滿足這些需求的記憶體件也變得至關重要。3D NOR快閃記憶體技術應運而生，它透過提供比傳統2D NOR快閃記憶體顯著的改進，可望重新定義非揮發性記憶體的未來(圖1)。

圖1：3D NOR快閃記憶體的顯著性能提升。

(來源：Macronix)

要理解這一轉變的意義，首先需要掌握NOR和NAND快閃記憶體的基本原理，進而才能充分認識從2D NOR向3D NOR的過渡。

NOR快閃記憶體以其在要求嚴苛的片內執行應用中的快速隨機讀取速度，以及在極端溫度下的高可靠性和功能性而聞名。由於其高寫入耐久性，它已成為程式碼儲存至關重要的應用(例如汽車、雲端運算和工業系統)，以及可能需要多次更新的應用(例如無線傳輸)的主流選擇。

另一方面，NAND快閃記憶體是資料儲存的首選，它能以更低的單位成本提供更高的密度，但不具備NOR的其他優勢。因此，這兩種元件都能在各自的市場中應對獨特的挑戰。

隨著人工智慧(AI)、物聯網(IoT)和邊緣運算的蓬勃發展，應用格局發生了演變，2D NOR快閃記憶體的局限性也愈發凸顯。這些應用及其使用者需要更高的密度，同時仍需依賴NOR的高可靠性優勢。因此，3D NOR快閃記憶體的優勢逐漸凸顯，其可望透過提供更高的密度、更大的可擴展性和更高的可靠性來應對這些挑戰。

市場格局：3D NOR解決的難題

現代應用的日益複雜化——從人工智慧驅動的解決方案到汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)——要求記憶體解決方案不僅要能提供更高的密度，還要提供更快的存取速度和更高的可靠性。傳統的2D NOR快閃記憶體雖然在許多應用中都表現出色，但已接近其物理和性能極限。2D NOR快閃記憶體的平面架構限制了其可擴展性，使其難以滿足日益成長的更高密度和更低延遲的記憶體需求。

這正是3D NOR快閃記憶體的用武之地。透過垂直堆疊儲存單元，3D NOR快閃記憶體克服了2D NOR架構固有的可擴展性問題。以Macronix的記憶體產品線為例，2D NOR快閃記憶體可以在單個裸晶上實現512Mb的容量，因此要實現更高的密度，就需要採用包含多個裸晶的系統級封裝(SiP)。然而，借助3D NOR技術，Macronix可在單個裸晶上實現4Gb的容量。

垂直堆疊技術可在相同尺寸內實現更高的儲存密度，因此3D NOR成為需要在有限物理面積內儲存大量非揮發性記憶體的應用的理想解決方案(圖2)。透過採用這種架構，終端系統解決方案提供商可以減少對多個記憶體(例如eMMC和/或NAND)的需求。此外，3D NOR快閃記憶體提供更短的延遲，從而提高了啟動性能，這對於需要近乎即時存取儲存資料的應用至關重要。

圖2：3D NOR快閃記憶體獲得8倍密度提升。

(來源：Macronix)

3D NOR架構的其他優勢包括：由於獨立記憶體件之間的資料傳輸減少，整體功耗得以降低；由於設備受攻擊的可能性降低，安全性也得以提升。此外，得益於其先進的架構，3D NOR快閃記憶體的可靠性也得到了提升，使其成為資料完整性至關重要的行業的理想選擇，例如汽車和工業領域。

技術特性：為何3D NOR快閃記憶體脫穎而出

3D NOR快閃記憶體將證明其在非揮發性記憶體領域突破技術邊界的潛力。3D NOR快閃記憶體的核心技術特性凸顯了其成為記憶體市場變革者的巨大潛力。以下僅列舉部分突出特性：

．密度是2D NOR的八倍：3D NOR快閃記憶體的一大核心優勢是其密度可高達2D NOR快閃記憶體的八倍。垂直堆疊技術可使3D架構在單個裸晶上實現4Gb的儲存密度，而2D架構的最大密度僅為512Mb。這意味著可透過單裸晶解決方案實現1Gb~4Gb的容量。這種密度的提升可在相同的物理佔用空間內儲存更大規模的資料集，從而解決當今記憶體市場最緊迫的挑戰之一(圖3)。然後，可以透過導入堆疊裸晶配置來支援更高密度的應用，以提供高達8Gb的儲存空間。這種靈活性使3D NOR快閃記憶體適用於從消費電子產品到高端工業系統的廣泛應用。

圖3：3D NOR快閃記憶體封裝選項。

(來源：Macronix)

．QSPI和8位元介面選項：為了確保與現有系統的相容性並最大限度地提高資料傳輸速率，符合JEDEC xSPI標準的3D NOR快閃記憶體支援四路串列外設介面(QSPI)和8位元介面選項，可協助設計人員集成該技術，而無需進行重大重新設計。

．200MHz雙倍傳輸速率(DTR)：速度是現代儲存系統的關鍵因素，尤其對於需要額外密度的現有NOR客戶而言。因此，3D NOR快閃記憶體可提供200MHz DTR。這種高速資料傳輸能力對於需要快速存取大量資料的應用(例如AI處理和即時分析)至關重要。

．工業和汽車溫度等級：考慮到其記憶體產品應用於多樣化的環境，3D NOR快閃記憶體需要在各種溫度範圍內運作，以滿足工業和汽車等應用需求，這些應用中常面臨極端溫度挑戰。

隨著對更高性能、更高密度和更高可靠性的需求持續成長，儘管物理尺寸預計保持不變，但傳統2D NOR快閃記憶體的局限性日益凸顯。3D NOR快閃記憶體的推出正是為了解決這些挑戰。

(參考原文：The Shift from 2D to 3D NOR Flash，by Omar Mohammed)

本文原刊登於EE Times China 2025年8月號雜誌

The post 從2D到3D NOR快閃記憶體的轉變 appeared first on 電子工程專輯.