在數(shù)字世界，用戶(hù)存儲(chǔ)在SSD上的數(shù)據(jù)最終會(huì)被保存至非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，而存儲(chǔ)介質(zhì)的特性直接影響SSD的主控和固件設(shè)計(jì)。NAND Flash是當(dāng)前電子設(shè)備中常見(jiàn)的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，下面我們將為大家講解NAND Flash的基本原理和特性。

什么是NAND Flash?

Nand Flash是一種非易失性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)介質(zhì)，基于浮柵（Floating Gate）晶體管設(shè)計(jì)，通過(guò)浮柵來(lái)鎖存電荷，電荷被存儲(chǔ)在浮柵中，他們?cè)跓o(wú)電源供應(yīng)的情況下仍然可以保持。數(shù)據(jù)在Flash內(nèi)存單元中是以電荷的形式存儲(chǔ)的，存儲(chǔ)電荷的多少取決于浮柵的外部門(mén)所被施加的電壓，其控制了是向存儲(chǔ)單元中充入電荷還是釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示，以所存儲(chǔ)的電荷的電壓是否超過(guò)一個(gè)特定的閾值Vth來(lái)表示。

• 對(duì)于NAND Flash的寫(xiě)入，就是控制Control Gate去充電（對(duì)CG加壓），使得懸浮門(mén)存儲(chǔ)的電荷夠多，超過(guò)閾值Vth，就表示0。
• 對(duì)于NAND Flash的擦除，就是對(duì)懸浮門(mén)放點(diǎn)，低于閾值Vth，就表示1。

它是閃存的一種形式，這意味著它可以被電擦除和重新編程。NAND閃存以NAND（NOT-AND）邏輯門(mén)命名，該邏輯門(mén)用于其基本架構(gòu)。術(shù)語(yǔ)“NAND”源自存儲(chǔ)單元以串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的方式組織，類(lèi)似于NAND門(mén)。該技術(shù)廣泛用于各種存儲(chǔ)設(shè)備，例如固態(tài)硬盤(pán) （SSD）、USB 閃存驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)卡和智能手機(jī)。

(左圖）NAND閃存陣列的示意圖。串聯(lián)連接的器件的垂直string經(jīng)由由drain select line（DSL）和source select line（SSL）驅(qū)動(dòng)的選擇晶體管附接到bitlines 和 sourceline；

(右圖)陣列沿著WL方向（a）和串方向（b）的示意性橫截面（綠色＝硅，紅色＝浮柵，紅色＝WL，白色＝氧化硅）。（c）顯示了具有基本單元(虛線)的陣列布局。

NAND Flash主要特點(diǎn)

存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)

• NAND Flash存儲(chǔ)器的基本存儲(chǔ)單元是浮柵晶體管。這些晶體管可以存儲(chǔ)一位信息（0或1），多個(gè)晶體管組合在一起形成存儲(chǔ)單元。

存取方式

• NAND Flash允許隨機(jī)訪問(wèn)，但通常以頁(yè)為單位進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作。擦除操作則以塊為單位進(jìn)行。

寫(xiě)入和擦除周期

• NAND Flash可以經(jīng)受數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)次的寫(xiě)入和擦除周期，但它的壽命通常比NOR Flash要短。

速度

• NAND Flash的讀寫(xiě)速度通常比NOR Flash快，這使得它更適合用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

成本

由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，NAND Flash的單位存儲(chǔ)成本較低，因此在大容量存儲(chǔ)應(yīng)用中更具成本效益。

錯(cuò)誤率

• NAND Flash比其他類(lèi)型的存儲(chǔ)器更容易出現(xiàn)位錯(cuò)誤，因此通常需要錯(cuò)誤校正碼（ECC）來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。

接口

• NAND Flash設(shè)備通常通過(guò)I/O接口與控制器通信，支持多種接口標(biāo)準(zhǔn)，如ONFI（Open NAND Flash Interface Working Group）和Toggle Mode。

應(yīng)用

• 由于其高存儲(chǔ)密度和成本效益，NAND Flash在消費(fèi)電子、企業(yè)存儲(chǔ)解決方案和嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

NAND Flash工作原理

NAND Flash 的存儲(chǔ)單元是一種三端器件，與場(chǎng)效應(yīng)管類(lèi)似，包含源極、漏極和柵極，柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用于保護(hù)浮置柵極中的電荷不會(huì)泄漏，從而使存儲(chǔ)單元具有電荷保持能力。其擦除和寫(xiě)入數(shù)據(jù)基于隧道效應(yīng)，即電流穿過(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(xiě)數(shù)據(jù)）或放電（擦除數(shù)據(jù)）。

NAND Flash 通過(guò)在存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)電荷來(lái)表示數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)比特的數(shù)據(jù)。在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，電子被注入到存儲(chǔ)單元中；在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)存儲(chǔ)單元中的電荷狀態(tài)來(lái)確定存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。擦除數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)施加高電壓將存儲(chǔ)單元中的電荷釋放掉。

NAND Flash基于浮柵晶體管，浮柵晶體管排列成網(wǎng)格狀陣列。每個(gè)晶體管有兩個(gè)柵極：一個(gè)控制柵極和一個(gè)浮動(dòng)?xùn)艠O。浮動(dòng)?xùn)艠O由氧化層電隔離，使其能夠捕獲電子。浮柵上電子的存在與否決定了存儲(chǔ)單元的二進(jìn)制狀態(tài)，代表“0”或“1”。

讀取數(shù)據(jù)

為了從NAND閃存單元讀取數(shù)據(jù)，需要向控制門(mén)施加電壓。如果浮柵上存在電子，晶體管將不會(huì)傳導(dǎo)電流，表示“0”狀態(tài)。如果浮柵為空，晶體管將傳導(dǎo)電流，表示“1”狀態(tài)。

寫(xiě)入和擦除數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)寫(xiě)入NAND閃存單元涉及稱(chēng)為Fowler-Nordheim隧道的過(guò)程。對(duì)控制柵極施加高壓，使電子穿過(guò)氧化層并進(jìn)入浮柵，將cell設(shè)置為“0”狀態(tài)。擦除數(shù)據(jù)涉及在相反方向上施加高壓，從而從浮柵中去除電子，使cell回到“1”狀態(tài)。

NAND閃存架構(gòu)

NAND Flash 的數(shù)據(jù)是以位（bit）的方式保存在存儲(chǔ)單元（memory cell）中，多個(gè)存儲(chǔ)單元以 8 個(gè)或 16

個(gè)為單位連成位線（bit line），形成字節(jié)（byte）或字（word），這就是 NAND 器件的位寬。

這些位線再組成頁(yè)（page），每頁(yè)包含一定數(shù)量的字節(jié)，通常還有一部分額外的空間用于存儲(chǔ)糾錯(cuò)碼等信息。多個(gè)頁(yè)又組成塊（block）。NAND Flash 以頁(yè)為單位進(jìn)行讀寫(xiě)操作，以塊為單位進(jìn)行擦除操作。

NAND閃存單元組織在一個(gè)串聯(lián)的字符串中，稱(chēng)為NAND字符串。多個(gè)NAND串形成一個(gè)塊，多個(gè)塊形成一個(gè)平面。NAND閃存芯片由一個(gè)或多個(gè)平面組成。這種分層結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)密度和快速讀寫(xiě)操作。

NAND閃存根據(jù)每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的位數(shù)可分為兩種主要類(lèi)型：

• Single-Level Cell（SLC）

每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，表示“0”或“1”。與 MLC 相比，SLC NAND 閃存提供更快的讀寫(xiě)速度、更高的耐用性和更低的功耗。

• Multi-Level Cell（MLC）

每個(gè)存儲(chǔ)單元使用多個(gè)電壓電平存儲(chǔ)兩個(gè)或更多位數(shù)據(jù)。與 SLC 相比，MLC NAND 閃存可實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度和更低的每比特成本，但代價(jià)是讀取和寫(xiě)入速度較慢，耐久性降低。

Nand Flash生產(chǎn)過(guò)程

Nand Flash是從原始的硅材料加工出來(lái)的，硅材料被加工成晶圓（Wafer），一片晶圓可以做出幾百顆Nand Flash芯片。芯片未封裝前的晶粒稱(chēng)為Die，它是從Wafer上用激光切割而成的小片，每個(gè)Die就是一個(gè)獨(dú)立的功能芯片，它由無(wú)數(shù)個(gè)晶體管電路組成，但最終可被作為一個(gè)單元封裝起來(lái)成為閃存顆粒芯片，下面是Nand Flash芯片的詳細(xì)加工過(guò)程。

Nand Flash的物理結(jié)構(gòu)

Nand Flash的容量結(jié)構(gòu)從大到小可以分為Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。一個(gè)Device有若干個(gè)Die(或者LUN)，每個(gè)Die有若干個(gè)Plane，每個(gè)Plane有若干個(gè)Block，每個(gè)Block有若干個(gè)Page，每個(gè)Page對(duì)應(yīng)著一個(gè)WordLine。

Die/LUN是接收和執(zhí)行FLASH命令的基本單元。不同的LUN可以同時(shí)接收和執(zhí)行不同的命令。但在一個(gè)LUN當(dāng)中，一次只能執(zhí)行一個(gè)命令，不能對(duì)其中的某個(gè)Page寫(xiě)的同時(shí)又對(duì)其他Page進(jìn)行讀訪問(wèn)。下面詳細(xì)介紹下這些結(jié)構(gòu)單元和之間的聯(lián)系。Device就是指單片NAND Flash，對(duì)外提供Package封裝的芯片，通常包含1個(gè)或多個(gè)Target。

• Target擁有獨(dú)立片選的單元，可以單獨(dú)尋址，通常包含1或多個(gè)LUN；LUN也就是Die，能夠獨(dú)立封裝的最新物理單元，通常包含多個(gè)plane。
• Plane擁有獨(dú)立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K個(gè)奇數(shù)或偶數(shù)Block。
• Block是能夠執(zhí)行擦出操作的最小單元，通常由多個(gè)Page組成；Page是能夠執(zhí)行編程和讀操作的最小單元，通常是4KB/8KB/16KB/32KB等。
• Cell是Page中的最小操作擦寫(xiě)讀單元，對(duì)應(yīng)一個(gè)浮柵晶體管，可以存儲(chǔ)1bit或多bit數(shù)據(jù)，主要為顆粒類(lèi)型。

下圖是一個(gè)Flash Block的組織架構(gòu)，每個(gè)Cell的漏極對(duì)應(yīng)BL(Bitline)，柵極對(duì)應(yīng)WL(Wordline)，源極都連在一起。每個(gè)Page對(duì)應(yīng)著一個(gè)Wordline，通過(guò)Wordline加不同電壓和不同時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行各種操作。

一個(gè)WordLine對(duì)應(yīng)著一個(gè)或者若干個(gè)Page，對(duì)于SLC來(lái)說(shuō)一個(gè)WordLine對(duì)應(yīng)著一個(gè)Page；對(duì)于MLC來(lái)說(shuō)則對(duì)應(yīng)2個(gè)Page；Page的大小與WordLine上存儲(chǔ)單元（Cell）數(shù)量對(duì)應(yīng)。

下圖是一款存儲(chǔ)芯片的內(nèi)部布局

由圖可以看出一片Nand Flash為一個(gè)設(shè)備（device），其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分層為：

• 1、1個(gè)設(shè)備（device） = 1024個(gè)塊（blocks），塊是nand flash擦除操作的最小單位。
• 2、1個(gè)塊（block） = 64個(gè)頁(yè)（Page），頁(yè)就是Nand Flash寫(xiě)入的最小單位，對(duì)于每一個(gè)頁(yè)，有數(shù)據(jù)塊區(qū)域和空閑區(qū)域。數(shù)據(jù)區(qū)，就是存儲(chǔ)一些數(shù)據(jù)，對(duì)于空閑區(qū)，一般也叫做OOB(out of band)，這個(gè)區(qū)域，是基于Nand flash的硬件特性設(shè)計(jì)的，nand flash在數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的時(shí)候很容易錯(cuò)誤，所以為了保證數(shù)據(jù)的正確性，必須要有對(duì)應(yīng)的檢測(cè)和糾錯(cuò)的機(jī)制，此機(jī)制就被叫做ECC，這個(gè)空閑區(qū)就是為了存放數(shù)據(jù)的校驗(yàn)值。
• 3、一個(gè)頁(yè)（Page） = 數(shù)據(jù)塊大?。?K） + OOB塊大小（64Bytes）

以此可以計(jì)算出如何訪問(wèn)一個(gè)物理地址：塊大小x塊號(hào) + 頁(yè)大小x頁(yè)號(hào) + 頁(yè)內(nèi)地址

從硬件的圖來(lái)看，上面這款芯片，其容量是132MB，那么就需要28條地址線，而nand flash只有8個(gè)I/O引腳可以用作地址線，所以nand flash就引入了地址周期的概念。對(duì)于這款nand flash，需要4個(gè)周期：2個(gè)列地址（column）周期和2個(gè)行地址（ROW）周期。從下面的功能框圖來(lái)看，對(duì)于列地址A0 – A11，就是頁(yè)內(nèi)地址，地址范圍是0 – 4096。與頁(yè)內(nèi)地址（2K + 64）吻合，其實(shí)對(duì)與頁(yè)內(nèi)地址，其實(shí)只需要A0-A10，而對(duì)于多出來(lái)的A11，是用來(lái)表示頁(yè)內(nèi)的OOB區(qū)域。那么對(duì)于A12 - A27就是用來(lái)表示屬于哪一個(gè)塊和塊里面的哪一個(gè)頁(yè)號(hào)。

###### Nand flash的操作

上面這款芯片支持的命令格式

下圖是發(fā)送一個(gè)命令/地址/數(shù)據(jù)的完整過(guò)程

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