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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