nand mlc原理 NAND Flash浮栅晶体管的结构，工作原理及其局限性-报价-上海羊羽卓进出口贸易有限公司

nand mlc原理 NAND Flash浮栅晶体管的结构，工作原理及其局限性

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

访问数量 : 23

扫码分享至微信

NAND Flash浮栅晶体管的结构、工作原理及其局限性

作为最为常见的存储芯片，NAND Flash已经被广泛采用，特别是在消费类电子产品当中，因此，在其存储密度不断提升的同时，成本也越来越敏感。由于Flash闪存的成本取决于其芯片面积，如果可以在同一区域存储更多数据，Flash将更具成本效益。NAND闪存主要有三种类型：Single Level Cell（SLC），Multi Level Cell（MLC）和Triple Level Cell（TLC）。顾名思义，TLC Flash在与MLC相同的区域中存储的数据更多，同理，MLC存储的数据多于SLC。另一种类型的NAND闪存称为3D NAND或V-NAND（垂直NAND），其通过在同一晶片上垂直堆叠多层存储器单元，这种类型的闪存实现了更大的密度。 浮栅晶体管 闪存将信息存储在由浮栅晶体管组成的存储单元中。为了更好地理解不同类型的NAND闪存，让我们来看看浮栅晶体管的结构、工作原理及其局限性。浮栅晶体管或浮栅MOSFET（FGMOS）非常类似于常规MOSFET，区别在于它在栅极和沟道之间具有额外的电绝缘浮栅。由于浮栅是电隔离的，所以即使在去除电压之后，到达栅极的电子也会被捕获。这就是闪存非易失性的原理所在。与具有固定阈值电压的常规MOSFET不同，FGMOS的阈值电压取决于存储在浮栅中的电荷量，电荷越多，阈值电压越高。与常规MOSFET类似，当施加到控制栅极的电压高于阈值电压时，FGMOS开始导通。因此，通过测量其阈值电压并将其与固定电压电平进行比较来识别存储在FGMOS中的信息，被称为闪存中的读操作。可以使用两种方法将电子放置在浮动栅极中：Fowler-Nordheim隧穿或热载流子注入。对于Fowler-Nordheim隧穿，在带负电的源极和带正电的控制栅极之间施加强电场。这使得来自源极的电子隧穿穿过薄氧化层并到达浮栅。隧穿所需的电压取决于隧道氧化层的厚度。利用热载流子注入，高电流通过沟道，为电子提供足够的能量以穿过氧化物层并到达浮动栅极。通过在控制栅极上施加强负电压并在源极和漏极端子上施加强正电压，使用福勒 - 诺德海姆隧道效应可以从浮栅移除电子。这将导致被捕获的电子通过薄氧化层回到隧道。在闪存中，将电子放置在浮动栅极中被认为是编程/写入操作，去除电子被认为是擦除操作。隧道工艺有一个主要缺点：它会逐渐损坏氧化层。这被称为闪存中的磨损。每次对单元进行编程或擦除时，一些电子都会卡在氧化层中，从而磨损氧化层。一旦氧化层达到不再能够在编程和擦除状态之间进行可靠性区分的点，则该单元被认为是坏的。由于读取操作不需要隧穿，因此它们不会将单元磨掉。这就是为什么闪存的寿命表示为它可以支持的编程/擦除（P / E）周期的数量。SLC闪存 在SLC闪存中，每个存储单元仅存储一位信息：逻辑0或逻辑1.单元的阈值电压与单个电压电平进行比较，如果电压高于电平，则该位被视为逻辑0。反之则为逻辑1。由于只有两个级别，因此两个级别之间的电压裕度可能非常高。这使得读取单元格更容易，更快捷。原始误码率（RBER）也很低，因为由于较大的电压余量，在读取操作期间泄漏或干扰的影响较小。低RBER还减少了给定数据块所需的ECC位数。大电压裕量的另一个优点是磨损的影响相对较小，因为微小的电荷泄漏具有相对较低的影响。每个逻辑电平的更宽分布有助于以更低的电压对单元进行编程或擦除，这进一步增加了单元的耐久性，进而增加了寿命，即P / E循环的数量。同时也有一个缺点，就是与在相同芯片区域中存储更多数据的其他类型的Flash相比，每个单元的成本更高。SLC闪存通常用于对成本不敏感且需要高可靠性和耐用性的场合，例如需要大量P / E循环次数的工业和企业应用。MLC闪存 在MLC闪存中，每个存储器单元存储两位信息，即00,01,10和11，在这种情况下，阈值电压与三个电平进行比较（总共4个电压带）。通过更多级别进行比较，读取操作需要更加精确，与SLC Flash相比，读取速度更慢。由于较低的电压余量，原始误码率（RBER）也相对较高，并且给定数据块需要更多的ECC比特。现在磨损的影响更为显着，因为与SLC闪存相比，任何电荷泄漏都会产生更大的相对影响，从而减少寿命（P / E循环次数）。由于需要仔细编程以将电荷存储在每个逻辑电平所需的紧密窗口内，因此编程操作也要慢得多。其主要优点是每比特成本更低，比SLC闪存低2~4倍。MLC闪存通常用于成本更敏感的应用，例如消费电子或游戏系统，其性能、可靠性和耐用性不是那么关键，并且所需的P / E循环次数相对较低。企业级多单元（eMLC）闪存 MLC闪存的低可靠性和耐用性使它们不适合企业应用，而低成本是一个驱动因素。为了带来更低成本的优势，闪存制造商创建了一种优化级别的MLC闪存，具有更高的可靠性和耐用性，称为eMLC。eMLC中的数据密度通常会降低，从而提供更好的电压余量以提高可靠性。较慢的擦除和编程循环通常用于减少磨损的影响并提高耐用性。还有许多其他技术可以提高eMLC的可靠性和耐用性，这些技术因制造商而异。TLC闪存 在TLC Flash中，每个存储器单元存储3位信息。现在将阈值电压与7个电平（总共8个电压带）进行比较。与SLC Flash相比，TLC的读取操作需要高度精确且速度慢。原始误码率也很高，增加了对给定数据块的更多ECC位的需求。磨损的影响也被放大，大大减少了寿命（P / E循环次数）。编程操作也较慢，因为电压需要精确以将电荷存储在每个逻辑电平所需的窗口内。 TLC的优势在于每比特的最低成本，与SLC或MLC闪存相比要低得多。TLC闪存用于高成本敏感型应用，对P / E循环的需求较少，例如消费类应用。SLC，MLC，eMLC和TLC的比较 表1给出了假设类似光刻工艺的不同类型闪存的主要参数的比较。这些值仅表示比较性能，并且就特定存储器产品而言可能不准确。

表1：每种不同类型Flash的主要参数的比较。 * ECC位数取决于制程节点; 较小的制程节点需要更多的ECC位。 3D NAND Flash 上面讨论的所有不同的闪存都是二维的，意味着存储单元仅布置在芯片的XY平面中。使用2D闪存技术，在同一晶圆中实现更高密度的唯一方法是缩小制程工艺节点。其缺点是，对于较小的节点，NAND闪存中的错误更为频繁。另外，可以使用的最小制程工艺节点存在限制。为了提高存储密度，制造商开发了3D NAND或V-NAND（垂直NAND）技术，该技术将Z平面中的存储单元堆叠在同一晶圆上。以这种方式构建有助于为相同的芯片区域实现高位密度。在3D NAND闪存中，存储器单元作为垂直串连接而不是2D NAND中的水平串。第一批3D Flash产品有24层。随着该技术的进步，已经制造出32,48,64甚至96层3D闪存。3D闪存的优势在于同一区域中的存储单元数量明显更多。这也使制造商能够使用更大的制程工艺节点来制造更可靠的闪存。 3D Flash的另一个主要技术转变是使用电荷阱Flash而不是浮栅晶体管。除了用氮化硅膜代替浮栅之外，电荷阱在结构上类似于FGMOS。注意，由于大规模制造的困难，电荷阱在市场上没有被广泛使用。由于难以制造浮栅晶体管的垂直串以及电荷阱的其他固有优点，已经采用电荷阱技术用于3D闪存。与FGMOS相比，基于电荷阱的存储器有许多优点。可以在较低电压下编程和擦除基于电荷阱的存储器，从而提高耐用性。由于捕获层（氮化物）是绝缘层，电荷不会泄漏，从而提高了可靠性。由于电荷不会从电荷阱的一侧流到另一侧，因此可以在同一阱层存储多于一位的电荷。赛普拉斯（前Spansion）在NOR闪存中有效地利用了这种功能，称为MirrorBit技术，将两位数据存储在一个类似于MLC闪存的单个存储单元中。未来的趋势 所有主要的闪存制造商都积极致力于开发不同的方法，以降低每比特闪存的成本，同时正在积极研究增加3D NAND Flash中垂直层的数量。虽然15nm似乎是目前NAND闪存中最小的成功节点，但Flash的光刻节点的缩小仍在继续。将MLC和TLC技术与3D NAND闪存相结合的方法也正在积极探索当中，许多制造商已经看到了成功的曙光。随着新技术的出现，我们可能很快就会看到存储单元可以存储一个字节的数据和垂直层，达到256层，甚至更高

技术解析：固态硬盘越用越慢怎么办？

固态硬盘越用越慢的原因

固态硬盘会越用越慢，这和固态硬盘的工作原理有很大的关系。固态硬盘使用闪存作为储存介质，而闪存有个特性：必须先擦除之后才能再次写入数据，这一点和机械硬盘不同，机械硬盘可以直接在数据上面覆盖写入。

我们新买固态硬盘的时候，其中的NAND闪存已经预先擦除干净，因此数据可以直接写入，无需完成数据清除这一步，这时数据的写入速度非常快；随着时间的推移，SSD中从未使用的存储空间越来越少，很多时候必须先擦除闪存中的数据然后再写入，因此其性能就会明显下降。为了解决这种问题，微软和SSD厂商都做了很大努力，例如Trim、垃圾回收机制等等

下面我们就来谈谈使用SSD时的注意事项。

1.使用环境：Windows 7和AHCI是必须的，当然还有SATA3

必须使用Windows7以上的系统才能更好发挥SSD威力

● 固态硬盘最重要的技术：Trim

为了解决硬盘降速的问题，微软联合各大SSD厂商开发了一个新技术——Trim。Trim没有中文名称，简单的说，就是告诉SSD主控哪些数据占据的地址是“无效”的。

Trim指令的支持需要同时满足以下三个条件：

1.SSD主控制器和搭配的固件必须支持Trim指令接收：这一点完全不用我们去担心，只要是SSD，Trim指令必须得支持，不然就和普通U盘没什么两样。不开TRIM真的会变慢！

2.当前操作系统必须支持Trim指令发送：只有windows7/Server 2008 R2以上的系统才支持。

3.当前使用的磁盘驱动程序必须支持Trim指令传输。有一点需要说明，Trim指令现在还不支持发送给RAID阵列。所以如果看到有“高富帅”在用SSD组RAID炫速度，大胆地鄙视吧。

● SATA3.0接口才能满足高速SSD的胃口

接口方面，现在主流的SSD都采用SATA3接口，因为SATA2接口的最大理论速度只有300MB/S，如果你把一款读取速度500MB/s的SSD接到SATA2接口上...我真的表示很无奈。

然后我们说说BIOS设定，强烈建议开启AHCI模式。因为AHCI中的原生命令队列特性(NCQ)可以优化用户发送指令的顺序，从而降低设备负荷，提升设备性能。有些较老的主板可能不支持AHCI，这种产品一般也不会有SATA3.0接口，SSD性能会大打折扣。

2.分区方法：小分区、少分区

SSD有一种技术叫做“垃圾回收机制”，前面已经讲过Trim是系统用来告诉SSD主控哪些数据所占据的地址是“无效”的，而“垃圾回收机制”就是SSD内部对这些“无效”数据进行清理的过程。

垃圾回收机制非常考验主控的数据处理能力

SSD中的擦除只能是“将无效数据所在的整个区域摧毁”，不能像机械硬盘那样实现“点对点精确定位打击”，因此“垃圾回收机制”过程也显得很繁琐——先把区域内的有效数据集中起来，转移到空闲的位置，然后把“问题区域”整个清除，清除出来的地方可以作为下次垃圾回收时的转移地点。

大部分SSD都已经由厂商“内定”了预留空间

所以“小分区”的概念就出来了。所谓“小分区”就是不要把SSD的容量都分满，保留一部分容量作为“空闲位置”，用于SSD内部的优化操作，如磨损平衡、垃圾回收和坏块映射。一般情况下这一步骤厂商已经帮我们设定好了，例如NAND容量128G的SSD，厂家会标称120G，剩下的部分就被设置成了预留空间。当然如果你十分注重SSD性能，也可以在此基础上继续增加预留空间，在分区的时候只分100G或者更少

如果固态硬盘也能像机械硬盘这样随便分区就好了

“少分区”则是另外一种概念，关系到4k对齐对SSD的影响。一方面现在主流SSD容量都不是很大，分区越多意味着浪费的空间越多(每个分区总有那么些空间是用不到的)，另一方面分区太多容易导致分区错位，在分区边界的磁盘区域SSD性能可能受到影响。

Win7自带的分区工具支持4K对齐

关于4K对齐操作，在机械硬盘时代可能大家都不太注重，但到了SSD时代4K分区对齐与否对性能有着很大的影响。怎样才能实现4K对齐？最简单的方法就是用Win7自带的分区工具进行分区，这样能保证分出来的区域都是4K对齐的。

3.平时保养：不要使用碎片整理，保持分区“苗条”

● 不要使用碎片整理

把机械硬盘时代的“好习惯”带到了SSD上不一定“好用”。在以前，我们总会听到各种“砖家”的提醒——系统变慢记得碎片整理，往往整理过后能感觉到系统运行明显快了很多，殊不知碎片整理对于SSD来说完全就是一种“折磨”。

“磁盘整理”对SSD来说是一种折磨

消费级固态硬盘使用的MLC NAND FLASH作为储存介质，这种芯片一般只有5000~10000次的擦写寿命(P/E)，碎片整理需要对硬盘频繁擦写，会大大减少SSD的使用寿命，其实，SSD自带的垃圾回收机制就已经是一种很好的“磁盘整理”，再多的整理完全没必要。Windows的“磁盘整理”功能是机械硬盘时代的产物，并不适用于SSD。

SSD内部没有机械结构，主要部件是主控和闪存芯片

除此之外，可以考虑禁用win7的预读(Superfetch)和快速搜索(Windows Search)功能，在SSD平台这两个功能的实用意义不大，通过禁用这两项功能降低硬盘读写频率。

● 让分区保留足够的剩余空间

如果SSD也这样折腾估计早就崩溃了

前面有说过SSD的“垃圾回收机制”，可以算是SSD内部最考验主控能力的步骤：当硬盘占用接近“满容量”的时候，垃圾回收的量非常多，主控芯片需要处理大量数据，几乎是满负荷运作，这就是为什么SSD越用越慢的原因之一。

相对廉价的机械硬盘适合当“仓库”使用

所以让分区保持“苗条”很重要，及时清理无用的文件，设置合适的虚拟内存大小，将电影音乐等大文件放到机械硬盘“仓库”等等，让SSD分区保留足够的剩余空间。

4.刷新固件：最有效的提速方法

“固件”好比主板上的BIOS，固态硬盘的一切内部操作都要依靠固件来控制，可以说固件质量的好坏直接关系到SSD的性能表现，论重要性毫无疑问是排在了第一位。固件不单直接影响SSD的性能、稳定性，也会影响到SSD的寿命。优秀的固件包含先进的算法能减少固态硬盘不必要的写入，从而减少闪存芯片的磨损，维持性能的同时也延长了固态硬盘的寿命。因此及时更新官方发布的最新固件显得十分重要。

5.恢复指令：对付SSD降速的终极手段

如果你以前没有注意过前面这些操作，现在的SSD已经被“折腾”得奄奄一息，还有一个终极手段——Trim重置。这个指令会让SSD回到出厂性能，原地满血复活，但不建议过多使用，因为对SSD来说，每做一次Trim重置就相当于完成了一次完整的擦写操作，对磁盘寿命会有影响。

现在有许多软件都能提供ATA安全擦除指令来重置磁盘，最著名的是HDDErase。操作过程大致也是将主板BIOS的启动顺序改为光驱优先或者U盘优先，然后插入存好软件的启动设备，进入引导界面，根据提示来操作。

这里建议使用英特尔固态硬盘工具箱(IntelSSD Toolbox)来完成此任务，不用打繁杂的代码，直接在windows下按照提示鼠标操作即可，最大程度的避免了SSD性能衰减。相较其他固态硬盘只能用格式化磁盘的方式来恢复性能，更为方便。

NAND Flash浮栅晶体管的结构、工作原理及其局限性

技术解析：固态硬盘越用越慢怎么办？

关于我们

产品中心

服务与支持