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AIoT碎片应用和算力撬动新机遇,兆易创新多元化存储布局背后逻辑揭秘

在人脑中,海马体负责记忆相关的重要功能。类似的,在电子系统中,扮演“海马体”角色的则是存储器。作为半导体元器件中不可或缺的组成部分,存储器与数据相伴而生,是应用面最广、市场比例最高的集成电路基础性产品。数据显示,2020年全球存储器收入增加135亿美元,占2020年整个半导体市场收入增长的44%。

在人脑中,海马体负责记忆相关的重要功能。类似的,在电子系统中,扮演“海马体”角色的则是存储器。作为半导体元器件中不可或缺的组成部分,存储器与数据相伴而生,是应用面最广、市场比例最高的集成电路基础性产品。数据显示,2020年全球存储器收入增加135亿美元,占2020年整个半导体市场收入增长的44%。

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图1:2020年全球半导体收入增长结构分布(前瞻产业研究院)

近年来,AIIoT等技术推动消费电子和大规模数据中心的快速发展,市场对存储的需求呈现白热化的趋势。尤其在IoT领域,产品的功耗和尺寸一直是行业不断寻求突破的方向。对于存储器而言,低功耗、小体积、高运行速度等关键特性也逐渐成为打入IoT应用的必要条件。

AIoT多元新需求和端侧算力,推动各类存储器市场增长和技术演进

万物互联时代,数据流源源不断;同时,算力的提升推动了计算结构的变化——从过去的端到云,变成了现在的云到端。这一过程中,不仅要求物联网设备拥有网络连接能力,还需要一些基础的计算能力、即主芯片的算力,这也意味着端侧的算法更庞大、更复杂,存储算法代码的存储器容量也随之增加。

“NOR Flash具备随机存储、可靠性强、读取速度快、可执行代码等优异的特性,有望在IoT设备中替代NAND Flash与DRAM。处理器/主芯片可直接从NOR Flash里调用系统代码并运行,可同时满足存储与运行内存的要求,这使得NOR Flash的市场需求逐年增加,预计每年的增长率将超过10%。”兆易创新存储事业部资深产品市场总监陈晖表示。

显然,物联网及相关AIoT产品(TWS、可穿戴)的爆发式增长,已成为NOR Flash存储器需求增长的主要驱动力。相关数据显示,2020年全球NOR Flash市场规模在30.6亿美元左右,到2022年将进一步增长到37.2亿美元。

据陈晖介绍,作为存储领域的主力产品,兆易创新SPI NOR Flash已经拥有26个产品线系列、16种产品容量、7种温度规格、4个电压范围以及25种封装方式。数据表明,自2008年推出中国首颗SPI NOR Flash以来,兆易创新已成为全球排名第三、中国排名第一的SPI NOR Flash供应商,Flash产品累计出货量更是超过160亿颗!

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图2:兆易创新推出全面丰富的NOR Flash产品及解决方案

在耀眼成绩的背后,是兆易创新不断寻求自身突破的决心。陈晖表示:“兆易创新的策略一直紧密结合市场的动态,依靠产品定义与特点推出不同性能的产品,满足客户多样化的需求,逐渐覆盖工业、消费,甚至汽车等领域。”目前,兆易创新55nm先进制程工艺的SPI NOR Flash已进入全线量产阶段,相较前一代产品性能更高、容量更丰富、功耗也更低。针对车用市场也推出了车规级3.0v、1.8v SPI NOR Flash产品,容量涵盖2Mb-2Gb,满足不同的车载应用需求。

除了NOR Flash之外,SLC NAND Flash、DRAM亦是兆易创新侧重的存储产品方向,并持续加大投入。2020年10月,兆易创新正式推出全国产化24nm工艺节点的4Gb SPI NAND Flash产品——GD5F4GM5系列。该系列实现了从设计研发、生产制造到封装测试所有环节的纯国产化和自主化,并已成功量产。另外在DRAM内存芯片布局方面,2021年6月兆易创新宣布首款自有品牌4Gb DDR4产品GDQ2BFAA系列量产,该产品实现了从设计、流片,到封测、验证的全国产化,标志着兆易创新成功将业务触角拓展到了DRAM主流存储市场。

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图3:兆易创新4Gb SPI NAND Flash产品——GD5F4GM5系列

追逐尺寸、功耗、安全、性能 “全优”?高超的产品定义是一门艺术

蓬勃发展的物联网为NOR Flash市场注入了一剂强心针,但物联网应用场景的多样性、复杂性,也给NOR Flash带来了全新的挑战。比如,尽管封装体积小、信号引线少是SPI NOR Flash的主要优点,但在IoT设备日趋小型化的要求下、进一步缩小产品封装体积势在必行;多数物联网应用由于地理位置或成本原因,某些场合甚至需要10年以上,因此功耗也是物联网终端或模块最重要的指标之一。此外,诸如容量、安全等方面也是厂商不得不面临的挑战课题。

以近年来愈发火热的可穿戴设备来看,此类设备一方面需要采集用户的数据信息提供智能化的建议,例如位置信息、心率信息等,另一方面也需要把外界数据传输给用户,如音乐、视频与通话等,这些过程都离不开NOR Flash的支持。在内部空间“寸土寸金”的情况下,其电子元器件需要满足体积小、低功耗的要求。

譬如,随着TWS耳机迈入2.0时代,包括OTA升级、骨传导、语音识别、降噪、触控等多种功能的出现,为了存储更多固件和代码程序,往往需要外扩一颗32Mbit甚至更大容量的SPI NOR Flash,同时也要求小体积和低功耗。

作为应对之道,兆易创新今年初宣布将WLCSP封装方式引入自家存储器件。跟其它封装相比,在同等容量下兆易创新存储器件的尺寸最小能做到长宽均不足1mm、最薄0.25mm,约是USON8 (3mm x 2mm)封装体积的1/10。针对TWS耳机产品,兆易创新还可以根据客户需求,将Flash与主芯片采用叠封的形式,不用单独再为Flash开一块空间,对整个系统PCB的面积缩减有极大帮助。

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图4:WLCSP封装与其他封装对比

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图5:WLCSP封装对比USON8封装,体积约为后者的十分之一

此外,兆易创新还推出了业界读功耗最低的LE系列SPI NOR Flash,其工作电压为1.65~2.0V,产品容量涵盖2Mb~512Mb,可满足不同应用需求。在功耗方面,该LE系列的睡眠电流低至0.1uA,四通道133Hz的情况下读取功耗低至5mA,比行业平均水平低40%左右。

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图6:同样封装体积下,兆易创新提供丰富的容量选择

安全性则是存储器设计和应用的另一大考量。在IoT应用中,Flash由于存储了众多关键的系统代码,相较SoC更容易被作为攻击的对象,提升安全性显得尤为重要。“提升系统安全性不能只是从Flash安全规格或加密技术入手,更多需要将Flash与主芯片,如MCU、SoC等进行整体考虑。虽然安全级别一般而言是越高越好,但我们考虑Flash的安全功能,应该与终端产品定位、主芯片定位相互匹配,这样才能做出符合市场需求的均衡产品。”陈晖表示,“当然,兆易创新Flash正在结合自身的MCU产品,或与更多SoC厂商进行紧密合作,致力于提升对IoT设备及系统的安全性能。”

存算感一体,兆易创新产品生态协同效应初现

事实上,不只是物联网,在包括汽车电子、5G智能手机,以及TDDI将触控功能整合进入驱动IC等需求的推动下,NOR Flash市场潜能已经被完全激活。“目前,兆易创新已经与全球顶级的通信设备厂商达成了合作,同时针对车规市场更大容量的512Mb-2Gb产品也通过了AEC-Q100的认证。”陈晖表示,随着用户需求增加、系统功能更新、代码复杂度提升,未来兆易创新的Flash产品将继续向大容量、高性能、高可靠性、低功耗、小封装的方向演进。

除了Flash和MCU业务,联动基于触控和指纹识别的传感器业务,兆易创新正积极推进产业整合、拓展战略布局,打造存储、控制、传感、互联、以及边缘计算的一体化解决方案满足客户的不同需求。万物互联时代,兆易创新全面布局“存储+MCU+传感器”的强强组合形成了独特的生态协同效应,即使在产能紧张的背景下,仍然通过供应链多元化管理的布局优势,成为率先恢复产能有序供应的半导体企业,从而应对不断变化的行业发展挑战。

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