什么是NAND Flash? NAND Flash現(xiàn)代存儲技術(shù)的基礎(chǔ)知識

在數(shù)字世界,用戶存儲在SSD上的數(shù)據(jù)最終會被保存至非易失性存儲介質(zhì),而存儲介質(zhì)的特性直接影響SSD的主控和固件設(shè)計。NAND Flash是當前電子設(shè)備中常見的非易失性存儲介質(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訪問存儲介質(zhì),基于浮柵(Floating Gate)晶體管設(shè)計,通過浮柵來鎖存電荷,電荷被存儲在浮柵中,他們在無電源供應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的,存儲電荷的多少取決于浮柵的外部門所被施加的電壓,其控制了是向存儲單元中充入電荷還是釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示,以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值Vth來表示。
- 對于NAND Flash的寫入,就是控制Control Gate去充電(對CG加壓),使得懸浮門存儲的電荷夠多,超過閾值Vth,就表示0。
- 對于NAND Flash的擦除,就是對懸浮門放點,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)邏輯門命名,該邏輯門用于其基本架構(gòu)。術(shù)語“NAND”源自存儲單元以串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的方式組織,類似于NAND門。該技術(shù)廣泛用于各種存儲設(shè)備,例如固態(tài)硬盤 (SSD)、USB 閃存驅(qū)動器、存儲卡和智能手機。
(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
存儲單元結(jié)構(gòu)
- NAND Flash存儲器的基本存儲單元是浮柵晶體管。這些晶體管可以存儲一位信息(0或1),多個晶體管組合在一起形成存儲單元。
存取方式
- NAND Flash允許隨機訪問,但通常以頁為單位進行讀取和寫入操作。擦除操作則以塊為單位進行。
寫入和擦除周期
- NAND Flash可以經(jīng)受數(shù)萬到數(shù)十萬次的寫入和擦除周期,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。
成本
由于結(jié)構(gòu)相對簡單,NAND Flash的單位存儲成本較低,因此在大容量存儲應用中更具成本效益。
錯誤率
- NAND Flash比其他類型的存儲器更容易出現(xiàn)位錯誤,因此通常需要錯誤校正碼(ECC)來確保數(shù)據(jù)的完整性。
接口
- NAND Flash設(shè)備通常通過I/O接口與控制器通信,支持多種接口標準,如ONFI(Open NAND Flash Interface Working Group)和Toggle Mode。
應用
- 由于其高存儲密度和成本效益,NAND Flash在消費電子、企業(yè)存儲解決方案和嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應用。
NAND Flash工作原理
NAND Flash 的存儲單元是一種三端器件,與場效應管類似,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,用于保護浮置柵極中的電荷不會泄漏,從而使存儲單元具有電荷保持能力。其擦除和寫入數(shù)據(jù)基于隧道效應,即電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層,對浮置柵極進行充電(寫數(shù)據(jù))或放電(擦除數(shù)據(jù))。
NAND Flash 通過在存儲單元中存儲電荷來表示數(shù)據(jù)。每個存儲單元可以存儲一個或多個比特的數(shù)據(jù)。在寫入數(shù)據(jù)時,電子被注入到存儲單元中;在讀取數(shù)據(jù)時,通過檢測存儲單元中的電荷狀態(tài)來確定存儲的數(shù)據(jù)。擦除數(shù)據(jù)時,通過施加高電壓將存儲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。每個晶體管有兩個柵極:一個控制柵極和一個浮動柵極。浮動柵極由氧化層電隔離,使其能夠捕獲電子。浮柵上電子的存在與否決定了存儲單元的二進制狀態(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),需要向控制門施加電壓。如果浮柵上存在電子,晶體管將不會傳導電流,表示“0”狀態(tài)。如果浮柵為空,晶體管將傳導電流,表示“1”狀態(tài)。
寫入和擦除數(shù)據(jù)
將數(shù)據(jù)寫入NAND閃存單元涉及稱為Fowler-Nordheim隧道的過程。對控制柵極施加高壓,使電子穿過氧化層并進入浮柵,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)的方式保存在存儲單元(memory cell)中,多個存儲單元以 8 個或 16
個為單位連成位線(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(page),每頁包含一定數(shù)量的字節(jié),通常還有一部分額外的空間用于存儲糾錯碼等信息。多個頁又組成塊(block)。NAND Flash 以頁為單位進行讀寫操作,以塊為單位進行擦除操作。
NAND閃存單元組織在一個串聯(lián)的字符串中,稱為NAND字符串。多個NAND串形成一個塊,多個塊形成一個平面。NAND閃存芯片由一個或多個平面組成。這種分層結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)高存儲密度和快速讀寫操作。
NAND閃存根據(jù)每個存儲單元存儲的位數(shù)可分為兩種主要類型:
- Single-Level Cell(SLC)
每個存儲單元存儲一位數(shù)據(jù),表示“0”或“1”。與 MLC 相比,SLC NAND 閃存提供更快的讀寫速度、更高的耐用性和更低的功耗。
- Multi-Level Cell(MLC)
每個存儲單元使用多個電壓電平存儲兩個或更多位數(shù)據(jù)。與 SLC 相比,MLC NAND 閃存可實現(xiàn)更高的存儲密度和更低的每比特成本,但代價是讀取和寫入速度較慢,耐久性降低。
Nand Flash生產(chǎn)過程
Nand Flash是從原始的硅材料加工出來的,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為Die,它是從Wafer上用激光切割而成的小片,每個Die就是一個獨立的功能芯片,它由無數(shù)個晶體管電路組成,但最終可被作為一個單元封裝起來成為閃存顆粒芯片,下面是Nand Flash芯片的詳細加工過程。
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Device有若干個Die(或者LUN),每個Die有若干個Plane,每個Plane有若干個Block,每個Block有若干個Page,每個Page對應著一個WordLine。
Die/LUN是接收和執(zhí)行FLASH命令的基本單元。不同的LUN可以同時接收和執(zhí)行不同的命令。但在一個LUN當中,一次只能執(zhí)行一個命令,不能對其中的某個Page寫的同時又對其他Page進行讀訪問。下面詳細介紹下這些結(jié)構(gòu)單元和之間的聯(lián)系。Device就是指單片NAND Flash,對外提供Package封裝的芯片,通常包含1個或多個Target。
- Target擁有獨立片選的單元,可以單獨尋址,通常包含1或多個LUN;LUN也就是Die,能夠獨立封裝的最新物理單元,通常包含多個plane。
- Plane擁有獨立的Page寄存器,通常LUN包含1K或2K個奇數(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中的最小操作擦寫讀單元,對應一個浮柵晶體管,可以存儲1bit或多bit數(shù)據(jù),主要為顆粒類型。
下圖是一個Flash Block的組織架構(gòu),每個Cell的漏極對應BL(Bitline),柵極對應WL(Wordline),源極都連在一起。每個Page對應著一個Wordline,通過Wordline加不同電壓和不同時間長度進行各種操作。
一個WordLine對應著一個或者若干個Page,對于SLC來說一個WordLine對應著一個Page;對于MLC來說則對應2個Page;Page的大小與WordLine上存儲單元(Cell)數(shù)量對應。
下圖是一款存儲芯片的內(nèi)部布局
由圖可以看出一片Nand Flash為一個設(shè)備(device),其數(shù)據(jù)存儲分層為:
- 1、1個設(shè)備(device) = 1024個塊(blocks),塊是nand flash擦除操作的最小單位。
- 2、1個塊(block) = 64個頁(Page),頁就是Nand Flash寫入的最小單位,對于每一個頁,有數(shù)據(jù)塊區(qū)域和空閑區(qū)域。數(shù)據(jù)區(qū),就是存儲一些數(shù)據(jù),對于空閑區(qū),一般也叫做OOB(out of band),這個區(qū)域,是基于Nand flash的硬件特性設(shè)計的,nand flash在數(shù)據(jù)讀寫的時候很容易錯誤,所以為了保證數(shù)據(jù)的正確性,必須要有對應的檢測和糾錯的機制,此機制就被叫做ECC,這個空閑區(qū)就是為了存放數(shù)據(jù)的校驗值。
- 3、一個頁(Page) = 數(shù)據(jù)塊大?。?K) + OOB塊大?。?4Bytes)
以此可以計算出如何訪問一個物理地址:塊大小x塊號 + 頁大小x頁號 + 頁內(nèi)地址
從硬件的圖來看,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。對于這款nand flash,需要4個周期:2個列地址(column)周期和2個行地址(ROW)周期。從下面的功能框圖來看,對于列地址A0 – A11,就是頁內(nèi)地址,地址范圍是0 – 4096。與頁內(nèi)地址(2K + 64)吻合,其實對與頁內(nèi)地址,其實只需要A0-A10,而對于多出來的A11,是用來表示頁內(nèi)的OOB區(qū)域。那么對于A12 - A27就是用來表示屬于哪一個塊和塊里面的哪一個頁號。
###### Nand flash的操作
上面這款芯片支持的命令格式
下圖是發(fā)送一個命令/地址/數(shù)據(jù)的完整過程
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