Flash存儲(chǔ)器概述

閃存是一種非易失性( Non-Volatile )內(nèi)存，在沒(méi)有電流供應(yīng)的條件下也能夠長(zhǎng)久地保持?jǐn)?shù)據(jù)，其存儲(chǔ)特性相當(dāng)于硬盤，這項(xiàng)特性正是閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲(chǔ)介質(zhì)的基礎(chǔ)。

NAND 閃存的存儲(chǔ)單元?jiǎng)t采用串行結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)單元的讀寫是以頁(yè)和塊為單位來(lái)進(jìn)行(一頁(yè)包含若干字節(jié)，若干頁(yè)則組成儲(chǔ)存塊， NAND 的存儲(chǔ)塊大小為 8 到 32KB )，這種結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)在于容量可以做得很大，超過(guò) 512MB 容量的 NAND 產(chǎn)品相當(dāng)普遍， NAND 閃存的成本較低，有利于大規(guī)模普及。

NAND 閃存的缺點(diǎn)在于讀速度較慢，它的 I/O 端口只有 8 個(gè)，比 NOR 要少多了。這區(qū)區(qū) 8 個(gè) I/O 端口只能以信號(hào)輪流傳送的方式完成數(shù)據(jù)的傳送，速度要比 NOR 閃存的并行傳輸模式慢得多。再加上 NAND 閃存的邏輯為電子盤模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)部不存在專門的存儲(chǔ)控制器，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)壞塊將無(wú)法修，可靠性較 NOR 閃存要差。

NAND 閃存被廣泛用于移動(dòng)存儲(chǔ)、數(shù)碼相機(jī)、 MP3 播放器、掌上電腦等新興數(shù)字設(shè)備中。由于受到數(shù)碼設(shè)備強(qiáng)勁發(fā)展的帶動(dòng)， NAND 閃存一直呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)的超高速增長(zhǎng).

NOR和NAND是市場(chǎng)上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。Intel于1988年首先開(kāi)發(fā)出NOR flash技術(shù),徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著,1989年,東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu),強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本,更高的性能,并且象磁盤一樣可以通過(guò)接口輕松升級(jí)。但是經(jīng)過(guò)了十多年之后,仍然有相當(dāng)多的硬件工程師分不清NOR和NAND閃存。

相“flash存儲(chǔ)器”經(jīng)?？梢耘c相“NOR存儲(chǔ)器”互換使用。許多業(yè)內(nèi)人士也搞不清楚NAND閃存技術(shù)相對(duì)于NOR技術(shù)的優(yōu)越之處,因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下閃存只是用來(lái)存儲(chǔ)少量的代碼,這時(shí)NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案。

NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行(XIP, eXecute In Place),這樣應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行,不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高,在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益,但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度,可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度,并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

Flash存儲(chǔ)器工作原理

發(fā)現(xiàn)者

1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈(Leo Esaki，1925～)在改良高頻晶體管2T7的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加PN結(jié)兩端的電壓時(shí)電流反而減少，江崎玲於奈將這種反常的負(fù)電阻現(xiàn)象解釋為隧道效應(yīng)。此后，江崎利用這一效應(yīng)制成了隧道二極管(也稱江崎二極管)。

1960年，美裔挪威籍科學(xué)家加埃沃(Ivan Giaever，1929～)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了在超導(dǎo)體隧道結(jié)中存在單電子隧道效應(yīng)。在此之前的1956年出現(xiàn)的“庫(kù)珀對(duì)”及BCS理論被公認(rèn)為是對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象的完美解釋，單電子隧道效應(yīng)無(wú)疑是對(duì)超導(dǎo)理論的一個(gè)重要補(bǔ)充。

1962年，年僅22歲的英國(guó)劍橋大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)研究生約瑟夫森(Brian David Josephson，1940～)預(yù)言，當(dāng)兩個(gè)超導(dǎo)體之間設(shè)置一個(gè)絕緣薄層構(gòu)成SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)時(shí)，電子可以穿過(guò)絕緣體從一個(gè)超導(dǎo)體到達(dá)另一個(gè)超導(dǎo)體。約瑟夫森的這一預(yù)言不久就為P.W.安德森和J.M.羅厄耳的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí)——電子對(duì)通過(guò)兩塊超導(dǎo)金屬間的薄絕緣層(厚度約為10埃)時(shí)發(fā)生了隧道效應(yīng)，于是稱之為“約瑟夫森效應(yīng)”。 宏觀量子隧道效應(yīng)確立了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而穿透絕緣層，使器件無(wú)法正常工作。因此，宏觀量子隧道效應(yīng)已成為微電子學(xué)、光電子學(xué)中的重要理論。

性能比較

flash閃存是非易失存儲(chǔ)器,可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行,所以大多數(shù)情況下,在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的,而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。

由于擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的,執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5ms,與此相反,擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的,執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

執(zhí)行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距,統(tǒng)計(jì)表明,對(duì)于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時(shí)),更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣,當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí),設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。

NOR的讀速度比NAND稍快一些。

NAND的寫入速度比NOR快很多。

NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5ms快。

大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

NAND的擦除單元更小,相應(yīng)的擦除電路更少。

接口差別

NOR flash帶有SRAM接口,有足夠的地址引腳來(lái)尋址,可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。

NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來(lái)串行地存取數(shù)據(jù),各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來(lái)傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。

NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊,這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤管理此類操作,很自然地,基于NAND的存儲(chǔ)器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。

容量和成本

NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半,由于生產(chǎn)過(guò)程更為簡(jiǎn)單,NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量,也就相應(yīng)地降低了價(jià)格。

NOR flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場(chǎng)的大部分,而NAND flash只是用在8MB～128GB的產(chǎn)品當(dāng)中,這也說(shuō)明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中,NAND適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ),NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲(chǔ)卡市場(chǎng)上所占份額最大。

可靠性

采用flash介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題是可靠性。對(duì)于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來(lái)說(shuō),Flash是非常合適的存儲(chǔ)方案?？梢詮膲勖?耐用性)、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來(lái)比較NOR和NAND的可靠性。

耐用性

在NAND閃存中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬(wàn)次,而NOR的擦寫次數(shù)是十萬(wàn)次。NAND存儲(chǔ)器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢(shì),典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍,每個(gè)NAND存儲(chǔ)器塊在給定的時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

位交換

所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下(很少見(jiàn),NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多),一個(gè)比特位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報(bào)告反轉(zhuǎn)了。

比特位反轉(zhuǎn) 一位的變化可能不很明顯,但是如果發(fā)生在一個(gè)關(guān)鍵文件上,這個(gè)小小的故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有問(wèn)題,多讀幾次就可能解決了。

當(dāng)然,如果這個(gè)位真的改變了,就必須采用錯(cuò)誤探測(cè)/錯(cuò)誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉(zhuǎn)的問(wèn)題更多見(jiàn)于NAND閃存,NAND的供應(yīng)商建議使用NAND閃存的時(shí)候,同時(shí)使用EDC/ECC算法。

這個(gè)問(wèn)題對(duì)于用NAND存儲(chǔ)多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當(dāng)然,如果用本地存儲(chǔ)設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時(shí),必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確?？煽啃浴?/span>

壞塊處理

NAND器件中的壞塊是隨機(jī)分布的。以前也曾有過(guò)消除壞塊的努力,但發(fā)現(xiàn)成品率太低,代價(jià)太高,根本不劃算。

NAND器件需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊,并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中,如果通過(guò)可靠的方法不能進(jìn)行這項(xiàng)處理,將導(dǎo)致高故障率。

易于使用

可以非常直接地使用基于NOR的閃存,可以像其他存儲(chǔ)器那樣連接,并可以在上面直接運(yùn)行代碼。

由于需要I/O接口,NAND要復(fù)雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。

在使用NAND器件時(shí),必須先寫入驅(qū)動(dòng)程序,才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當(dāng)?shù)募记?因?yàn)樵O(shè)計(jì)師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。

軟件支持

當(dāng)討論軟件支持的時(shí)候,應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級(jí)的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件,包括性能優(yōu)化。

在NOR器件上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持,在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí),通常需要驅(qū)動(dòng)程序,也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序(MTD),NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時(shí)都需要MTD。

使用NOR器件時(shí)所需要的MTD要相對(duì)少一些,許多廠商都提供用于NOR器件的更高級(jí)軟件,這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動(dòng),該驅(qū)動(dòng)被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。

Flash存儲(chǔ)器應(yīng)用

閃存

閃存的存儲(chǔ)單元為三端器件，與場(chǎng)效應(yīng)管有相同的名稱：源極、漏極和柵極。柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用來(lái)保護(hù)浮置柵極中的電荷不會(huì)泄漏。采用這種結(jié)構(gòu)，使得存儲(chǔ)單元具有了電荷保持能力，就像是裝進(jìn)瓶子里的水，當(dāng)你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以閃存具有記憶能力。

與場(chǎng)效應(yīng)管一樣，閃存也是一種電壓控制型器件。NAND型閃存的擦和寫均是基于隧道效應(yīng)，電流穿過(guò)浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對(duì)浮置柵極進(jìn)行充電(寫數(shù)據(jù))或放電(擦除數(shù)據(jù))。而NOR型閃存擦除數(shù)據(jù)仍是基于隧道效應(yīng)(電流從浮置柵極到硅基層)，但在寫入數(shù)據(jù)時(shí)則是采用熱電子注入方式(電流從浮置柵極到源極)。

場(chǎng)效應(yīng)管工作原理場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor縮寫(FET))簡(jiǎn)稱場(chǎng)效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電,因此稱為雙極型晶體管,而FET僅是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電,它與雙極型相反,也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件，具有輸入電阻高(108～109Ω)、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強(qiáng)大競(jìng)爭(zhēng)者。