前言
消費性電子裝置領域在個人儲存媒體上的漸增需求，不僅隨著NAND快閃記憶體市場的成長而加速，如今更推動了新一代突破性技術的發展。本文介紹了msystems x4 NAND技術，證明以往長期以來認定無法於技術上有所突破的新一代每格4位元NAND快閃記憶體，如今已能夠加以運用。x4 NAND元件源自現有每格2位元MLC NAND製程，並可大幅提高製造快閃記憶體所能節省下的成本。
本文接著討論為了讓x4 NAND技術，廣用於消費性電子裝置領域時，msystems必須先克服的主要障礙－包括資料可靠性、性能與快閃記憶體的生命週期，及msystems x4 NAND技術如何有效解決這些困難點。最後，本文將討論x4 NAND元件將為新一代消費性電子裝置帶來的益處，與為何msystems是位於踏出此一大步的最佳位置。
快閃記憶體的顯著成長
如圖1所示，從汽車自動化設備至手機、USB快閃磁碟（UFD）、音樂播放器和攝影設備，NAND快閃記憶體的需求不斷向上攀升。
Gartner, 2006年5月
圖1：NAND快閃記憶體目前消耗量與往後預測數據
這項需求因多項關鍵因素而加速，包括行動時代的來臨，意指消費者希望隨時隨地輕鬆儲存、讀取與管理資料。快閃記憶體的降價及無論是透過付費取得或自行製作，數位內容（如影片、音樂、遊戲與照片等）已變得易於取得，這些過程不僅成為推動這些相關裝置普遍採用快閃記憶體的觸媒，亦扮演了教育許多消費者的角色，他們透過了MP3播放器、USB快閃磁碟、尤其是記憶卡，熟悉了擁有更多記憶體以儲存更多個人內容的價值所在。
如圖2所示，置身於記憶體需求高漲的環境，NAND快閃記憶體市場已能看出顯著成長。
資料來源：Gartner, 2006年5月
圖2：全球NAND快閃記憶體成長額，目前數據與未來預測（百萬美元計）
NAND快閃記憶體迅速成長的最佳證據，或許便是Apple® iPod® nano的成功，於2005年年中推出後，如今已熱賣數百萬部。iPod® nano以高容量嵌入式NAND快閃記憶體為特色，為第一款暢銷熱賣的消費性電子裝置，其成功可謂是相當重要的分水嶺：證明NAND快閃記憶體的龐大容量，可以透過符合成本效益的方式，建置入價格低廉的高產量裝置。
msystems將這股與日漸增的自覺和需求，視為個人儲存裝置時代的興起。基於所有人都希望能隨時隨地存取資料內容，個人儲存時代已開始督促消費性電子裝置的製造商，積極尋找更具智慧的儲存解決方案－即有效協助他們引起注目並獲得市場佔有率的核心零件。
為求以符合成本效益的方式支援更高記憶體的需求，快閃記憶體市場採取了多項決定性步驟：提高NAND產量、改用較大的12吋晶圓、引進更細膩的製程等，最近的舉動則是從單層儲存格（SLC、二進位或每格1位元）NAND快閃技術，轉移至每格2位元MLC NAND快閃技術。每格2位元的MLC NAND快閃記憶體，藉由在既定製造流程中可謂幾乎相同的矽晶片，存入兩倍的資料量，進而省下龐大成本。此舉能降低如具備GB等高容量記憶體的製造成本，其他的額外資本支出甚至可以更低。隨著記憶體需求的持續成長，快閃記憶體供應商和消費性電子裝置業者，均尋求新方法以更低的成本，來生產更高容量的快閃記憶體。
然而，此種方法在管理新一代裝置的內部快閃記憶體用途時，也增加了複雜性，促使製造商尋求解決方法，以求將每格2位元的MLC NAND個人記憶體，簡單迅速地整合入新裝置中。
NAND快閃儲存媒體趨勢
檢視消費性電子裝置採用快閃資料記憶體的歷史時，兩項相關趨勢隨即浮現：一是NAND快閃儲存媒體的降價，一是基於擠入倍數化的資料後、所導致品質與規格的逐漸劣化。
NAND快閃儲存媒體的降價，正是新的製造技術不斷提高單一儲存格存入位元數所致，每格4位元NAND快閃記憶體即是一例，但此情形卻也導致新一代矽元件的品質與規格劣化。此種劣化不僅是因這些先進新技術所致，也因蝕刻（即是一般所知的製程或幾何結構）不斷減少而造成。製程從2000年的400奈米，到目前的60奈米，於是在快閃儲存媒體的製造上引發嚴重問題，導致其難以建立並對齊矽晶圓上的所有細微結構。這些問題導致種種現象浮現，如漏電流、難以成型模擬的寄生電容增加，所以得增加為數可觀的電路才能舒緩問題。
尺寸縮小的同時也減少了電子儲存區域：晶圓的厚度相當於一張紙厚度或人類毛髮直徑的千分之一，故必須確保快閃儲存媒體能夠承受龐大的寫入抹除次數，才能因應最終使用者所需的用途，並得在適當水準下執行，且每一代的新原料都增加了這些工作的複雜度。
每格4位元之NAND快閃記憶體
我們已經知道必須提供使用者愈來愈多的記憶體，再加入現在每格2位元MLC MAND持續獲得的成功，致力於每格儲存4位元理應是接下來的合理步驟。此步驟的優點顯然可見且相當龐大，但面臨的挑戰亦然。事實上，就目前的程度而言，許多人認為可用且有用的每格4位元NAND快閃記憶體，等同NAND快閃記憶體的不可能任務，認定不可能在十年內實現。不過，msystems x4 NAND技術卻預期並證明其技術確能實現。
挑戰
一般而言，每格4位元NAND快閃技術的管理複雜度，可說遠甚於前身的每格2位元MLC NAND快閃技術的數倍，這是因為每格4位元NAND快閃媒體的每一儲存格所存的電荷，能建立十六種不同的電位，如圖3所示。
圖3：每格1位元、2位元與4位元技術的電位
單一電壓範圍就有如此眾多的電位，且彼此緊密相鄰，因而產生了數項挑戰：
•存入鄰近電位的電子，往往易於轉移到另一電位而造成位元錯誤。使用每格4位元NAND快閃技術時，錯誤數為每格2位元及每格1位元NAND快閃技術的數倍之多。
•許多細緻的重覆動作，都必須正確地置放與感觸電荷，導致讀寫性能降低。
•讀寫所需電力增加，耗電量可能變得更高。
•因讀寫更加耗電而導致額外壓力，進而損及快閃記憶體的耐久性與資料保存性。
不用說，若沒有系統解決方案來處理上述挑戰，純儲存媒體格式的每格4位元NAND快閃記憶體便無法加以利用、僅能做為機械樣本，不僅無法建置入任何裝置，或做為任何用途的個人儲存媒體。所以，製造每格4位元的NAND快閃記憶體看似徒勞無功，直到目前為止，將其用於消費性電子裝置的舉動，就實體上及實務上均不可能實現。
MSYSTEMS X4™ NAND元件
了解每格4位元NAND快閃記憶體優勢
為了讓每格4位元的NAND快閃記憶體，能夠應用於消費性電子裝置或其他用途，必須透過全方位的系統解決方案來處理這些挑戰。
msystems除了仰賴本身龐大的專利產品組合及多年經驗、加上運用TrueFFS®快閃管理技術，以處理快閃記憶體管理問題外，現今更研發出x4技術並申請專利，以求生產與最佳化每格4位元的NAND快閃記憶體，並將其整合入x4 NAND元件。每項x4 NAND元件由內建特別量身打造TrueFFS軟體 的x4控制器及每格4位元NAND儲存媒體構成。
msystems x4技術具有以下特色：
•前所未有的優異偵錯及修正碼（EDC/ECC）：全新的方法原則和算式，不僅能偵錯亦進行修正，以求提供應用程式中最具高可靠性的快閃記憶體規格，同時改善性能、將矽損壞（silicon redundancy）與耗電量降至最低。
•延長快閃記憶體的使用壽命：為了提高快閃記憶體的使用壽命，特別量身打造的平均讀寫（wear-leveling）算式，能確保資料均勻分佈於整個快閃記憶體。
•資料編碼算式、矽層級架構異動、以及獨特的快閃記憶體特色：多項科技進展改善了可靠性和展現效能。
•契合需求規格：按照明確性能和可靠性要求，以不同方式來處理具體應用部分。
減少整合入Host端耗費心力
基於msystems x4技術所具備的上述特色，使得x4 NAND元件未來在預計建置入Host平台時，無須耗費太大心力，此舉應能促使每格4位元NAND快閃儲存媒體快速進入市場。現有的諸多NAND快閃記憶體設計，可直接支援msystems x4 NAND元件且無須重新設計，因此消費性電子裝置的廠商能迅速完成更優異的產品並透過更具競爭力的價位，進而獲得更高的市場採用率。此點當然亦讓選用msystems x4 NAND元件的NAND快閃儲存媒體廠商，以更迅速的製造速度與更高的毛利率，推出更多的矽晶圓成品。
均衡應用需求及材料成本
每格2位元MLC NAND於四年前推出時，業界專家一致認為其規格不具可用性。Apple iPod nano的莫大成功，部分正是仰賴此項快閃技術而來，進而證實該項技術確實相當優異。不過，儘管儲存媒體的品質與規格劣化，即使是今日的每格2位元MLC NAND快閃媒體，亦為其迫切需要記憶體的應用用途，提供了大於實際需求的更高規格，但這樣的設計上顯得矯枉過正，反而造成不必要的支出。
表一即是現在每格2位元MLC快閃儲存媒體規格及使用需求的部分差距例子。這些差距指出，消費性電子裝置市場，可在不影響一般使用情況下，轉向x4 NAND的懷抱。
事實上，透過x4 NAND元件，再加上其具備分析需求與分別處理不同類別資料的能力，使用者幾乎無須耗費任何心力。比方說，可儲存作業系統程式碼以確保其可靠性，而多媒體檔案，將根據對特定作業的需求以強化的寫入速度來儲存。
表1：耗費大量記憶體的應用需求與每格2位元MLC快閃記憶體規格表
結論
與先前SLC與每格2位元的MLC NAND兩種規格相比，每格4位元NAND快閃技術的容量不僅大幅增加，更增加了幾項主要優勢：
•生產位元數/晶圓產量、營收與獲利率大幅增加－若採用相同容量與製程，與製造每格2位元MLC NAND快閃記憶體相比，在成本上可大幅節省到30%，且無須更改製程。
•能在幾乎同等於每格2位元MLC NAND快閃記憶體的矽晶圓上，存入兩倍的資料量，以省下龐大成本。
•能製造更高容量的快閃記憶體，滿足消費者對新應用所需更高儲存容量的渴求。
•能以更高的記憶體容量及更合理的價位，提供給更多消費性電子裝置使用。
不過，隨著快閃設計師減少矽的用量、快閃儲存媒體的耐久性與資料保有性不得不跟著妥協，導致效能與可靠度水平迅速下降，進而讓每格4位元NAND等快閃技術愈來愈難以處理。首要挑戰便是透過全方位的系統解決方案，將這些水平提昇至可接受的標準。
每格2位元的MLC NAND快閃記憶體，儘管起初受到質疑且認定不夠完善，如今已經能解決此項挑戰，並獲得消費性電子裝置的主流市場採用。事實上，根據一般使用情境，每格2位元MLC NAND規格還有進一步降低、並繼續滿足應用需求的餘地。
這個狀況則開啟了每格4位元NAND快閃記憶體在消費性電子裝置領域發展的寬廣空間。基於具備前所未有的優異EDC與ECC功能、專門量身打造的平均讀寫算式以延長快閃記憶體使用壽命、資料編碼算式、快閃架構異動、獨特的快閃特色、及契合實際使用需求的規格，msystems x4技術預計將讓每格4位元的NAND快閃記憶體，並建置於x4 NAND元件中，進而獲得廣大消費性電子應用的歡迎與採用。
消費性電子裝置領域在個人儲存媒體上的漸增需求，不僅隨著NAND快閃記憶體市場的成長而加速，如今更推動了新一代突破性技術的發展。本文介紹了msystems x4 NAND技術，證明以往長期以來認定無法於技術上有所突破的新一代每格4位元NAND快閃記憶體，如今已能夠加以運用。x4 NAND元件源自現有每格2位元MLC NAND製程，並可大幅提高製造快閃記憶體所能節省下的成本。
本文接著討論為了讓x4 NAND技術，廣用於消費性電子裝置領域時，msystems必須先克服的主要障礙－包括資料可靠性、性能與快閃記憶體的生命週期，及msystems x4 NAND技術如何有效解決這些困難點。最後，本文將討論x4 NAND元件將為新一代消費性電子裝置帶來的益處，與為何msystems是位於踏出此一大步的最佳位置。
快閃記憶體的顯著成長
如圖1所示，從汽車自動化設備至手機、USB快閃磁碟（UFD）、音樂播放器和攝影設備，NAND快閃記憶體的需求不斷向上攀升。
Gartner, 2006年5月
圖1：NAND快閃記憶體目前消耗量與往後預測數據
這項需求因多項關鍵因素而加速，包括行動時代的來臨，意指消費者希望隨時隨地輕鬆儲存、讀取與管理資料。快閃記憶體的降價及無論是透過付費取得或自行製作，數位內容（如影片、音樂、遊戲與照片等）已變得易於取得，這些過程不僅成為推動這些相關裝置普遍採用快閃記憶體的觸媒，亦扮演了教育許多消費者的角色，他們透過了MP3播放器、USB快閃磁碟、尤其是記憶卡，熟悉了擁有更多記憶體以儲存更多個人內容的價值所在。
如圖2所示，置身於記憶體需求高漲的環境，NAND快閃記憶體市場已能看出顯著成長。
資料來源：Gartner, 2006年5月
圖2：全球NAND快閃記憶體成長額，目前數據與未來預測（百萬美元計）
NAND快閃記憶體迅速成長的最佳證據，或許便是Apple® iPod® nano的成功，於2005年年中推出後，如今已熱賣數百萬部。iPod® nano以高容量嵌入式NAND快閃記憶體為特色，為第一款暢銷熱賣的消費性電子裝置，其成功可謂是相當重要的分水嶺：證明NAND快閃記憶體的龐大容量，可以透過符合成本效益的方式，建置入價格低廉的高產量裝置。
msystems將這股與日漸增的自覺和需求，視為個人儲存裝置時代的興起。基於所有人都希望能隨時隨地存取資料內容，個人儲存時代已開始督促消費性電子裝置的製造商，積極尋找更具智慧的儲存解決方案－即有效協助他們引起注目並獲得市場佔有率的核心零件。
為求以符合成本效益的方式支援更高記憶體的需求，快閃記憶體市場採取了多項決定性步驟：提高NAND產量、改用較大的12吋晶圓、引進更細膩的製程等，最近的舉動則是從單層儲存格（SLC、二進位或每格1位元）NAND快閃技術，轉移至每格2位元MLC NAND快閃技術。每格2位元的MLC NAND快閃記憶體，藉由在既定製造流程中可謂幾乎相同的矽晶片，存入兩倍的資料量，進而省下龐大成本。此舉能降低如具備GB等高容量記憶體的製造成本，其他的額外資本支出甚至可以更低。隨著記憶體需求的持續成長，快閃記憶體供應商和消費性電子裝置業者，均尋求新方法以更低的成本，來生產更高容量的快閃記憶體。
然而，此種方法在管理新一代裝置的內部快閃記憶體用途時，也增加了複雜性，促使製造商尋求解決方法，以求將每格2位元的MLC NAND個人記憶體，簡單迅速地整合入新裝置中。
NAND快閃儲存媒體趨勢
檢視消費性電子裝置採用快閃資料記憶體的歷史時，兩項相關趨勢隨即浮現：一是NAND快閃儲存媒體的降價，一是基於擠入倍數化的資料後、所導致品質與規格的逐漸劣化。
NAND快閃儲存媒體的降價，正是新的製造技術不斷提高單一儲存格存入位元數所致，每格4位元NAND快閃記憶體即是一例，但此情形卻也導致新一代矽元件的品質與規格劣化。此種劣化不僅是因這些先進新技術所致，也因蝕刻（即是一般所知的製程或幾何結構）不斷減少而造成。製程從2000年的400奈米，到目前的60奈米，於是在快閃儲存媒體的製造上引發嚴重問題，導致其難以建立並對齊矽晶圓上的所有細微結構。這些問題導致種種現象浮現，如漏電流、難以成型模擬的寄生電容增加，所以得增加為數可觀的電路才能舒緩問題。
尺寸縮小的同時也減少了電子儲存區域：晶圓的厚度相當於一張紙厚度或人類毛髮直徑的千分之一，故必須確保快閃儲存媒體能夠承受龐大的寫入抹除次數，才能因應最終使用者所需的用途，並得在適當水準下執行，且每一代的新原料都增加了這些工作的複雜度。
每格4位元之NAND快閃記憶體
我們已經知道必須提供使用者愈來愈多的記憶體，再加入現在每格2位元MLC MAND持續獲得的成功，致力於每格儲存4位元理應是接下來的合理步驟。此步驟的優點顯然可見且相當龐大，但面臨的挑戰亦然。事實上，就目前的程度而言，許多人認為可用且有用的每格4位元NAND快閃記憶體，等同NAND快閃記憶體的不可能任務，認定不可能在十年內實現。不過，msystems x4 NAND技術卻預期並證明其技術確能實現。
挑戰
一般而言，每格4位元NAND快閃技術的管理複雜度，可說遠甚於前身的每格2位元MLC NAND快閃技術的數倍，這是因為每格4位元NAND快閃媒體的每一儲存格所存的電荷，能建立十六種不同的電位，如圖3所示。
圖3：每格1位元、2位元與4位元技術的電位
單一電壓範圍就有如此眾多的電位，且彼此緊密相鄰，因而產生了數項挑戰：
•存入鄰近電位的電子，往往易於轉移到另一電位而造成位元錯誤。使用每格4位元NAND快閃技術時，錯誤數為每格2位元及每格1位元NAND快閃技術的數倍之多。
•許多細緻的重覆動作，都必須正確地置放與感觸電荷，導致讀寫性能降低。
•讀寫所需電力增加，耗電量可能變得更高。
•因讀寫更加耗電而導致額外壓力，進而損及快閃記憶體的耐久性與資料保存性。
不用說，若沒有系統解決方案來處理上述挑戰，純儲存媒體格式的每格4位元NAND快閃記憶體便無法加以利用、僅能做為機械樣本，不僅無法建置入任何裝置，或做為任何用途的個人儲存媒體。所以，製造每格4位元的NAND快閃記憶體看似徒勞無功，直到目前為止，將其用於消費性電子裝置的舉動，就實體上及實務上均不可能實現。
MSYSTEMS X4™ NAND元件
了解每格4位元NAND快閃記憶體優勢
為了讓每格4位元的NAND快閃記憶體，能夠應用於消費性電子裝置或其他用途，必須透過全方位的系統解決方案來處理這些挑戰。
msystems除了仰賴本身龐大的專利產品組合及多年經驗、加上運用TrueFFS®快閃管理技術，以處理快閃記憶體管理問題外，現今更研發出x4技術並申請專利，以求生產與最佳化每格4位元的NAND快閃記憶體，並將其整合入x4 NAND元件。每項x4 NAND元件由內建特別量身打造TrueFFS軟體 的x4控制器及每格4位元NAND儲存媒體構成。
msystems x4技術具有以下特色：
•前所未有的優異偵錯及修正碼（EDC/ECC）：全新的方法原則和算式，不僅能偵錯亦進行修正，以求提供應用程式中最具高可靠性的快閃記憶體規格，同時改善性能、將矽損壞（silicon redundancy）與耗電量降至最低。
•延長快閃記憶體的使用壽命：為了提高快閃記憶體的使用壽命，特別量身打造的平均讀寫（wear-leveling）算式，能確保資料均勻分佈於整個快閃記憶體。
•資料編碼算式、矽層級架構異動、以及獨特的快閃記憶體特色：多項科技進展改善了可靠性和展現效能。
•契合需求規格：按照明確性能和可靠性要求，以不同方式來處理具體應用部分。
減少整合入Host端耗費心力
基於msystems x4技術所具備的上述特色，使得x4 NAND元件未來在預計建置入Host平台時，無須耗費太大心力，此舉應能促使每格4位元NAND快閃儲存媒體快速進入市場。現有的諸多NAND快閃記憶體設計，可直接支援msystems x4 NAND元件且無須重新設計，因此消費性電子裝置的廠商能迅速完成更優異的產品並透過更具競爭力的價位，進而獲得更高的市場採用率。此點當然亦讓選用msystems x4 NAND元件的NAND快閃儲存媒體廠商，以更迅速的製造速度與更高的毛利率，推出更多的矽晶圓成品。
均衡應用需求及材料成本
每格2位元MLC NAND於四年前推出時，業界專家一致認為其規格不具可用性。Apple iPod nano的莫大成功，部分正是仰賴此項快閃技術而來，進而證實該項技術確實相當優異。不過，儘管儲存媒體的品質與規格劣化，即使是今日的每格2位元MLC NAND快閃媒體，亦為其迫切需要記憶體的應用用途，提供了大於實際需求的更高規格，但這樣的設計上顯得矯枉過正，反而造成不必要的支出。
表一即是現在每格2位元MLC快閃儲存媒體規格及使用需求的部分差距例子。這些差距指出，消費性電子裝置市場，可在不影響一般使用情況下，轉向x4 NAND的懷抱。
事實上，透過x4 NAND元件，再加上其具備分析需求與分別處理不同類別資料的能力，使用者幾乎無須耗費任何心力。比方說，可儲存作業系統程式碼以確保其可靠性，而多媒體檔案，將根據對特定作業的需求以強化的寫入速度來儲存。
表1：耗費大量記憶體的應用需求與每格2位元MLC快閃記憶體規格表
結論
與先前SLC與每格2位元的MLC NAND兩種規格相比，每格4位元NAND快閃技術的容量不僅大幅增加，更增加了幾項主要優勢：
•生產位元數/晶圓產量、營收與獲利率大幅增加－若採用相同容量與製程，與製造每格2位元MLC NAND快閃記憶體相比，在成本上可大幅節省到30%，且無須更改製程。
•能在幾乎同等於每格2位元MLC NAND快閃記憶體的矽晶圓上，存入兩倍的資料量，以省下龐大成本。
•能製造更高容量的快閃記憶體，滿足消費者對新應用所需更高儲存容量的渴求。
•能以更高的記憶體容量及更合理的價位，提供給更多消費性電子裝置使用。
不過，隨著快閃設計師減少矽的用量、快閃儲存媒體的耐久性與資料保有性不得不跟著妥協，導致效能與可靠度水平迅速下降，進而讓每格4位元NAND等快閃技術愈來愈難以處理。首要挑戰便是透過全方位的系統解決方案，將這些水平提昇至可接受的標準。
每格2位元的MLC NAND快閃記憶體，儘管起初受到質疑且認定不夠完善，如今已經能解決此項挑戰，並獲得消費性電子裝置的主流市場採用。事實上，根據一般使用情境，每格2位元MLC NAND規格還有進一步降低、並繼續滿足應用需求的餘地。
這個狀況則開啟了每格4位元NAND快閃記憶體在消費性電子裝置領域發展的寬廣空間。基於具備前所未有的優異EDC與ECC功能、專門量身打造的平均讀寫算式以延長快閃記憶體使用壽命、資料編碼算式、快閃架構異動、獨特的快閃特色、及契合實際使用需求的規格，msystems x4技術預計將讓每格4位元的NAND快閃記憶體，並建置於x4 NAND元件中，進而獲得廣大消費性電子應用的歡迎與採用。
