CN1470059A - 模块式存储装置 - Google Patents

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Abstract

一种模块式存储装置(10)，包括：支撑元件(13)，存储部件，所述存储部件包括由所述支撑元件加以支撑的三维存储阵列，装置接口单元，所述装置接口单元由所述支撑元件加以支撑，并与所述存储部件相耦合，以及一电连接器(12)，所述电连接器由所述支撑元件加以支撑，并与所述装置接口单元(18)相耦合。所述存储阵列相当适合用于作为针对数字媒体(诸如数字文本、数字音乐、数字图像以及数字视频)的一种数字媒体存储设备。所述装置接口单元在所有的情况下并不都是要求的。

Description

模块式存储装置
发明背景
本发明涉及模块式存储装置，它包括非易失、固态的存储阵列。
各种便携式消费产品以非易失的方式来捕捉并储存数字数据。数码相机与数码音乐播放器是这种产品的二个实例。此类产品的存储装置最好是这样的模块式装置，其的尺寸是小到足以让使用者能够手持并易于运送。理想地，这些存储装置应为可拔出的并且重量轻，其可提供数百万字节(megabyte)的储存容量并且达到低的实际销售价格(ASP)。
对于这些存储装置的一种现有技术方法即为广为熟知的闪存卡。这些适合放在使用者手掌中的存储卡是为重量轻的，并提供能与消费市场的便携式装置部分需求相匹配的储存容量。然而，闪存卡并未能充分地满足这些市场部分的价格的需求。就闪存卡(诸如压缩型闪存(CompactFlash)卡)而言，在2000年6月时每百万字节的价格以40百万字节为基准约介于2-4美元(ASP)。由于在此便携式装置部分的市场中大多数的消费应用需要至少40百万字节的非易失的存储装置，因此闪存卡则代表了整个装置价格中的主要部分。
为满足此市场部分而制造的其他存储卡包括多媒体卡(MMC)，在2000年6月时每百万字节的价格约介于3-5美元(ASP)。所有这些存储卡是使用常规的二维存储阵列。
发明内容
以下所说明的优选的实施例，是能满足需要非易失的数字存储装置的消费性应用装置对于尺寸、重量、储存与成本的需求。这些实施例包括由支撑元件加以支撑的存储阵列、存储阵列控制器以及由所述支撑元件加以支撑的并与所述存储阵列控制器相耦合的电连接器。存储阵列最好是，尽管并非必须，一次写入式、三维、现场可编程的存储阵列。这种存储阵列提供大体上降低每比特成本的优点。当使用装置接口单元时，其最好是高度地集成以降低成本。通过降低存储部件与装置接口单元这二者的成本，模块式存储装置的整个价格与上述现有技术相较总体上就降低了。
此部分已经提供了一般性的介绍，但并不欲限制以下的权利要求的范围。
附图说明
图1是结合了本发明的优选实施例的一种模块式存储装置的透视图。
图2是为图1的存储装置的横截面视图。
第3及4图是为图1的存储装置的候选实施例的横截面视图。
图5是为三维存储阵列的一部分的概略视图。
图6是为图2的装置接口单元18的优选实施例的概略图。
图7是为与一数字媒体储存系统连接的模块式存储装置的方块图。
具体实施方式
现将注意力转至图式上，图1是为一种模块式存储装置10的整体视图，在其的一端包括电连接器12。存储装置10的外表面包含在所示的一外壳13内。外壳13保护装置10的内部构件并形成一压缩式、模块化的手持单元，消费者是容易将其运送并可轻易地插入至一读/写设备(诸如相机或是电子书)中并自该装置中拔出。连接器12是可采用任何适合的形式，于本实例中被配置成隔开的系列导电垫，并被配置成与匹配的连接器(未显示)的对应的接点相匹配。当然可以使用任何适合的连接器12，而本发明并未限制在如图1所示的边缘式连接器。
图2是为图1的装置10的横截面视图。如图2中所示，装置10包括在该实施例中采用了印刷电路板14的形式的支撑元件。印刷电路板14构成装置10的一外表面。印刷电路板14支撑存储部件16、装置接口单元18以及电连接器12。
存储部件16最好包括三维的存储阵列以及相关联的存储阵列控制器。优选的存储阵列包括数目适当的存储单元，所述存储单元以三维的晶格形式排列在基板的上方。在授予给Johnson的美国专利6,034,882、Knall的美国专利09/560,626以及Johnson的美国专利09/638,428中所说明的三维存储器可使用于本存储阵列。所有这些专利文件(其是转让给本发明的受让人)在此引入以供参考。存储阵列控制器最好构成在与建立所述存储阵列的相同的基板上，所述存储阵列控制器包括地址解码电路系统、用于读取操作的感应电路系统、用于写入操作的驱动电路系统以及输入/输出接口电路系统(包括输入/输出放大器)。
本实施例中的装置接口单元18是装配在一个别的基板上并经由印刷电路板14电连接至存储部件16与电连接器12。于此实施例中，存储部件16与装置接口单元18这两者直接地安装至印刷电路板。装置接口单元18包括产生电压、时钟频率、以及容许存储装置10附接到不同的消费性装置的协议逻辑所需的所有的组件，它们都整合在一单片的硅基板上。于一实施中，装置接口单元18包括用于执行任务文件、中断管理、错误报告以及包括在所使用的协议(诸如压缩式闪存(CompactFlash)协议)中的配置功能的电路系统(利用任何适合的硬件、软件以及固件的组合)。
图3是为图2的实施例的一种修改形式。于图3的实施例中，装置接口单元18以及存储部件16以常规的中间芯片封装(诸如于本领域技术人员熟知的TSOP或TQFP封装技术)方式加以封装。这些封装的元件因而是以常规的方式装配在印刷电路板14上。
于图4的实施例中，三维存储阵列、存储阵列控制器以及装置接口单元是组装在单一的基板20上，其最好直接安装在印刷电路板14上而不需中间封装。存储阵列控制器以及装置接口单元可组装在三维存储阵列下方的硅基板上。此布置是将存储装置的制造成本降低至最低。于此例中，存储阵列控制器如上所述可不需输入/输入放大器。
图4的实施例是相当地适合用在诸如使用压缩式闪存(CompactFlash)协议的应用装置上。此实施例可以采用二维或是三维的非易失的存储单元的存储阵列加以实施。
为了建构一具低成本的控制器，定用于将存储部件16接合至所希望的存储卡标准所需信号的总数目要加以确定。用以维持硅芯片内部的电力系统稳定，足以在所有的操作状态下保证完美的操作所需的电源与接地连接数目因而增加至此列表中。此引脚记数信息确定能够容纳所需的连接数目的最小的矩形。矩形的尺寸是为引脚数目的四分的一与引脚驱动器电路系统的高度及宽度的函数。下列方程序是描述最后的边缘长度：
Figure A0181733100081
芯片面积＝长度2
一旦长度方程序减至最小，就完成设定所需的芯片面积。可使用于产生所需的逻辑函数以及任何所需的电力，或是将存储部件16连接至所选定的系统总线标准所需的同步脉冲电路系统的面积可借由以下的方程序加以确定：
接着选定一种硅加工技术，其是选定一适当的逻辑密度，以致所需组件的数目被组件密度相除，该数值与自前述的方程序计算所得的可使用面积相等。
于上述的实施例中，存储单元是经过安排并是以三维方式而非二维方式建构的。具有数层存储单元，并且所述各层是垂直地相互堆叠。该三维是为所谓的“列”、“行”以及“层”。典型地，列与行一般是与视底基板的上表面平行，并且各层互相间是沿着与视底基板的上表面垂直的方向分隔开的。
一些存储单元包含向上或是向下地突出的元件，这样的存储单元在以前称为“三维存储单元”。然而，这些存储单元是以一常规的二维阵列方式配置成阵列的。这样就与在此所说明的三维的实施例相当地不同，该实施例包括三维的存储单元阵列，并且数层存储单元之间相互垂直堆叠。
这些实施例的一重要的特性在于，其是明确地以降低存储装置的运作速度以此换来低成本的三维结构。这些实施例使用非常小的切换装置来给出小的存储单元与小的总芯片面积。小的切换装置同时还给出小的读取电流，其使读取存取时间相对较慢。然而，有数种重要的存储应用装置能够容易地容许慢的存取时间，并且通过自引入注目地低的存储装置成本得到极大的益处。多数这些低速应用装置是可以“数字媒体储存”的名而集合在一起，并包括以下部分：诸如相片的静态图像的数字储存装置、音乐以及一般的数字音乐、数字书的数字储存装置、地图的数字储存装置、包括数字视频的图像的连续镜头以及许多为本领域技术人员可轻易察知的其他实例。数字媒体储存应用装置可被视为储存应用装置，其是借由将受版权保护的材料固定在一具体的表现方式的媒体中。就这些应用装置而言，储存媒体的重复写入并非为一有利条件，并且事实上甚至并非人们希望的的。例如，使所表现的材料成为清楚且永久不变的记录是为重要的。再者，一般来说一次写入的存储装置的成本较可重复写入的装置的成本为低。
图7是以方块图的形式显示了与一数字媒体存储设备30相结合的上述说明的存储装置10。存储装置10是可采用任何于此所说明的形式，并且其最好包括一次写入、现场可编程的存储单元的3维阵列。如以上的解释，该装置提供非常低的成本的优点。存储装置10是构成为一模块式手持单元，它具有如上所述的外部连接器以便容许使用者可轻易地将存储装置10连接至数字媒体存储设备30并可自其中拔出。有关于存储装置10的结构的进一步细节在美国专利申请案序号为09/638,439及09/638,427中有所说明，该二申请案是与本申请案同日提出申请，并转让给本发明的受让人，在此整个提出以供参考。于候选的实施例中，可使用一种多次写入的3维阵列，诸如在美国专利申请案序号为09/639,702及09/639,577中有所说明，该二申请案是与本申请案同日提出申请并转让给本发明的受让人。
数字媒体存储设备30可采用任何合适的形式，例如，可为一种数码相机、一种数码音频录放装置、或是一种电子书。存储装置30可执行二种不同的功能。第一，存储装置30是可将储存在存储装置10中的数字媒体呈现给使用者，例如以显示静态或是移动图像、播放音频文件、或是显示电子书页。第二，存储装置30可以被用于对带有所希望的数字媒体信息的存储装置10进行现场编程。针对此目的，数字媒体存储设备30与源相连接，并且将来自源的数字媒体信息加现场编程到存储装置10中。数字媒体来源是可采用任何适合的形式，并且往往包括另一部计算机(未显示)。例如，源是可经由网络(诸如因特网)或是经由一种配置在商店(诸如录音室或是书店)中的系统将数字媒体下载到由消费者所提供的存储装置10中来将数字媒体信息提供至存储装置30。数字数据的源可同时包括但非限定在数码相机中的电荷耦合装置阵列(CCD)的输出，或是音乐录放音机中编码-解码器(CODEC)的输出。于一些应用装置中，源可将数字媒体信息直接储存于存储装置10中，而非借由数字媒体存储设备30，此是为现场可编程的另一实例。一般地，所谓术语“现场可编程”广泛地希望包括在每次将存储装置完成装配之后，将选定的文件或由使用者所挑选的文件写入存储装置中。
于此所说明的实施例的存储阵列包括垂直堆叠的数层存储单元，而存储单元可采用任何所希望的形式；在颁给Zhang的美国专利5,835,369号、颁给Jonhnson的美国专利6,034,882号以及Knall的美国专利申请案序号为09/560,626中所说明的存储单元可采用作为实例。然而，于此所说明的优选实施例已设计成将成本降至最低，并且存储单元尽可能小型化。
为使存储单元小型化，利用精细间距的光刻法将存储单元的几何形状图案化。特别地，字线与位线最好以线宽度约不大于1微米而构成，并且线至线的间距约不大于1微米。这些F(光刻的特性尺寸)数值可进一步地加以降低；而最佳地是线宽与间隔是约小于0.25微米。
图5是为一上述类型的存储阵列的一实施例的概略代表图式。存储单元MC1、MC2中的每一个为一种二终端式存储单元，其包括状态存储元件。于此实施例中，存储单元MC1安排在第一层，而存储单元MC2安排在相对于第一层而垂直地堆叠的第二层。存储单元MC1、MC2配置在存储单元的各个端部。于此连接形式中，所谓术语“终端”其意义是为广泛的，并可将终端简单地具体化为存储单元的终端部分或是单元的独立层的。
每一存储单元MC1、MC2的每一终端与各个导体或接线作相电接触。于图1中所示在存储单元MC1的底部的导体W1、W2被配置成字线，以及与存储单元MC1的上终端连接的导体B1、B2被配置为位线，该位线形于此实施例中大体上与字线W1、W2垂直。因此，每一存储单元MC1是将所选定的字线W1、W2中的一条与所选定的位线B1、B2中的一条相桥接。
同样地，第二层的存储单元MC2连接在所选定的位线B1、B2之一以及所选定的字线W3、W4之一间。于此实施例中字线W3、W4配置在另一层，垂直堆叠在位线B1、B2所在的层的上方。
图5的存储单元阵列在基本的几何形状与材料上，是与上述标识的颁给Johnson的专利的第6a至6g图中所说明的相类似。
就基本存储单元的平面尺寸为2F×2F的实施例而言(诸如上述标识的颁给Johnson与Knall的专利文件中所提到的)，无论是在字线或是位线的方向上，存储单元的间距(100个相邻存储单元的总宽度除以100)最好不大于约0.50微米(并且一般是不大于2微米)，以及由一存储单元所耗用的总面积最好不大于约0.25平方微米。在垂直堆叠的每一层上所耗用的芯片面积则约为≤0.25平方毫米/每百万比特。陈述相同结果的另一方式，在垂直堆叠的每一层上的封装密度是为≥4百万比特/平方毫米。
垂直堆叠增加了用于一给定尺寸的存储阵列的密度并且降低芯片的面积；于一具有8层互相垂直堆叠的存储单元的优选实施例中，其中密度是≥32百万比特/平方毫米(芯片面积)。
随着精细间距的光刻技术的改良，这些存储单元的密度亦得到改良。以下的方程序是显示封装的密度(比特/单位面积)，是针对光刻技术其的特性尺寸为F并且针对大小为2F×2F的单元的垂直堆叠的N层：
封装密度＝N/(4F2)
应注意的是本发明其他较低密度的封装的实施例可使用大于4F2的存储单元(例如可见上述标识的颁给Zhang的专利的第6B图中所示的存储单元)。这些较大的存储单元导致较大的芯片面积，如此是较不令人满意的。
于图6中以方块图的形式加以说明的是用于装置接口单元18的一优选实施例。于此实例中，压缩式闪存接口状态机执行任务文件、中断管理、错误报告以及用于压缩式闪存协议的配置功能，而智能媒体接口状态机执行那些用于智能媒体协议的功能。本领域技术人员可轻易地获得这两种协议。图6的装置接口单元是可装配在一硅芯片上尺寸为2.6 8毫米×2.68毫米，所提供的总基板面积为7.18平方毫米。于一实施例中，上述的模块式存储装置10用于储存数字媒体，诸如任何上述的数字媒体。
在另一实施例中，装置接口单元18从装置10中去除，而存储部件16的存储阵列控制器是借由印刷电路板14直接地耦合到连接器12。在此例中，存储部件16可由在主机系统上的装置接口单元加以控制。
尽管前述的实施例是针对一种3维存储阵列，但另一种降低成本的实施例针对使用一次可编程(OTP)阵列而言。例如，一种电可编程只读存储器(PROM)可加以利用。介于诸如一种一次可编程(OTP)存储器以及一种常规的E2电可编程的只读存储器以及闪存存储器之间的成本差异可能是很大的。
无论是3维一次可编程、3维多次写入或是2维一次可编程(OTP)而言，可使用任何的数种外壳材料与结构。合适的材料包括金属、环氧化物、陶瓷以及塑胶。配置可包括那些与任何标准模块兼容的配置，诸如以往所使用在闪存存储器或E2电可编程的只读存储装置的配置，或是任何未来研发的标准配置。这些包括但非限定在压缩式闪存(CompactFlash)、智能媒体(SmartMedia)、数字音乐传输安全协议(Secure Digital Music Initiative(SDMI))、索尼存储棒(SonyMemoryStick)以及其他的标准。这些配置可包括独立的或是非集成的装置接口单元(亦即，装置接口单元可与存储单元芯片集成在一起或不作为设计选择的主体)。所述模块是可围绕着封装芯片而建构，或者每个芯片可直接安装在基板上，所述基板接着又被封装在外壳中。基板是但不限定在硅、玻璃纤维或是陶瓷。
自前述应可显而易见的是一种已详加说明经改良可以低成本加以制造的模块式存储装置，其是为小型化并且重量轻并可提供所需的非易失的存储装置的容量。
于此所使用的术语“相耦合”旨在广泛地涵盖那些直接耦合以及间接耦合的元件。因此，互相耦合的两个元件可通过介于中间的未提及的元件加以耦合。
前述的详加说明是仅说明了数种本发明所能采用的形式中的一部分。为此缘故，此详细说明是希望借由图式说明但不希望被限定。仅欲由以下的权利要求(包括所有等同内容)来限定出本发明的范围。

Claims (24)

1.一种模块式存储装置，包括：
支撑元件；
存储部件，所述存储部件包括三维存储阵列，所述三维存储阵列包括多个现场可编程的存储单元，所述存储部件由所述支撑元件加以支撑；及
电连接器，所述电连接器由所述支撑元件加以支撑，并与所述存储部件相耦合。
2.权利要求1的模块式存储装置，进一步包括：
装置接口单元，所述装置接口单元由所述支撑元件加以支撑，并与所述存储部件和所述电连接器相耦合。
3.权利要求2的模块式存储装置，其中所述存储部件与所述装置接口单元组装在单一的基板上，并且所述片由所述支撑元件加以支撑。
4.权利要求2的模块式存储装置，其中所述装置接口单元装配在面积不超过8平方毫米的基板内。
5.权利要求1，2，3或4的模块式存储装置，其中所述存储单元包括一次写入的存储单元。
6.权利要求1，2，3或4的模块式存储装置，其中所述存储单元在一基板上配置成阵列，面积密度不小于基板的每平方毫米3×107个存储单元。
7.权利要求5的模块式存储装置，其中所述存储阵列储存至少一个媒体文件，所述媒体文件从包含如下项的组中加以选定：数字文本、数字音乐、数字图像、连续的数字图像、数字视频以及以上的结合。
8.权利要求6的模块式存储装置，其中所述存储阵列储存至少一个数字媒体文件，所述媒体文件从包含如下项的组中加以选定：数字文本、数字音乐、数字图像、连续的数字图像、数字视频以及以上的结合。
9.一种数字媒体存储设备，包括：
存储部件，所述存储部件包含三维存储阵列，所述三维存储阵列包括多个现场可编程的存储单元的堆叠层；
所述存储单元的特征在于各个数字状态，所述数字状态储存代表至少一个数字媒体文件的数字信号，所述数字媒体文件从包含如下项的组中加以选定：数字图像、连续的数字图像、一组数字文本页、数字音乐、数字地图、数字视频以及以上的结合。
10.权利要求9的数字媒体存储设备，其中所述存储单元是一次写入的存储单元。
11.权利要求9的数字媒体存储设备，其中所述存储单元在一基板上配置成阵列，面积密度不小于基板的每平方毫米3×107个存储单元。
12.权利要求9的数字媒体存储设备，进一步包括：
支撑所述存储部件的支撑元件；
装置接口单元，所述装置接口单元由所述支撑元件加以支撑，并与所述存储部件相耦合；及
电连接器，所述电连接器由所述支撑元件加以支撑，并与所述装置接口单元相耦合。
13.权利要求12的数字媒体存储设备，其中所述存储部件与所述装置接口单元组装在单一的基板上，并且所述基板由所述支撑元件加以支撑。
14.权利要求12的数字媒体存储设备，其中所述装置接口单元装配在不超过8平方毫米的面积内。
15.权利要求15的数字媒体存储设备，与数字媒体存储设备结合起来操作，可对所述存储单元中的数字媒体文件进行现场编程。
16.权利要求15的数字媒体存储设备，其中所述存储装置包括数码相机。
17.权利要求15的数字媒体存储设备，其中所述存储装置包括数码音频录放装置。
18.权利要求15的数字媒体存储设备，其中所述存储装置包括电子书。
19.一种模块式存储装置，包括：
支撑元件；
存储部件，所述存储部件包括装配在基板上的存储阵列，所述存储部件由所述支撑元件加以支撑；
装置接口单元，所述装置接口单元装配在与所述存储阵列相同的基板上，并与所述存储部件相耦合；及
电连接器，所述电连接器由所述支撑元件加以支撑，并与所述装置接口单元相耦合。
20.权利要求19的模块式存储装置，其中所述装置接口单元执行针对选定的协议的中断管理功能。
21.权利要求19的模块式存储装置，其中所述存储阵列包括三维的存储单元阵列。
22.权利要求19的模块式存储装置，其中所述存储阵列包括二维的存储单元阵列。
23.权利要求19的模块式存储装置，其中所述存储阵列包括多个一次写入的存储单元。
24.权利要求23的模块式存储装置，其中所述一次写入的存储单元是现场可编程的。
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