NAND和NOR Flash 完全学习笔记（基础篇）

本文要点：1. NAND FLASH与NOR FLASH 的技术对比；2. 最详细的存储单元对比详解；3. NAND FLASH与NOR FLASH 的最新市场份额及应用；4. NAND FLASH与NOR FLASH 的基础原理分析。

目前，NOR FLASH和NAND FLASH是市场上主要的非易失性闪存技术，但是据我了解，还是有很多工程师分不清NAND FLASH与NOR FLASH。首先，来一个直观的图片。

然后，我从权威的网站上找到了最新的NAND FLASH收益以及市场份额表，根据最新的表单，我们可以知道谁是这个市场的老大，做的比较好一些，一方面让工程师时刻知道市场的动向，另一方面可以在之后的器件选型等方面提供重要的参考。

一般来说，快闪记忆体可分为两大规格，一个是NAND, 一个是NOR。简单来说，NAND一般以存储数据为主，晶片容量大，容量可以达到2Gb甚至更大，NAND的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价；NOR一般以存储程序代码为主，又称为Code Flash，所以可让微处理器直接读取，但晶片容量较低，主流容量512Mb，NOR采用内存的随机读取技术。如果利用闪存只是用来存储少量的代码，这是NOR Flash更合适一些。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此很多使用NAND Flash的Demo Board除了使用NAND Flash以外，还加上一块小的NOR Flash来运行启动代码。通过下表我比较了几乎所有关于NAND FLASH以及NOR FLASH的全部重要特性。

然后，对于Flash三个重要概念的理解：

1. Flash属于非易失性存储设备，内部存储单元是MOSFET，里面有一个悬浮门(Floating Gate), 是存储数据的单元。与此对应的，易失性存储设备就是断电后，数据就丢失了，例如常用的内存，不论是之前的SDRAM，还是现在通用的DDR3以及DDR4，都是断电后，数据就没有了。

2. SLC和MLC的区别：NAND FLASH的内存单元可以分为两类，存储一位数据，也就是SLC(Single Level Cell); 对应的，存储多位数据的就是MLC(Multi Level Cell)，比如两位，或者四位。

3. 大多数的写入操作需要先进行擦除操作。

到此，对于NAND FLASH以及NOR FLASH 我们有了一个基本的认识。我对知识的学习一个重要的方法是对比，通过图表的对比更能看出各自的差异化，从而达到加深知识的效果，因此我做了下图来比较目前还算所有存储器的最小单元结构图，便于学习与理解。

原理分析 要说明此原理，需要一些基本的量子物理学，我认为以下这种论述是比较适合理解的，也很有趣：经典物理学认为，物体越过势垒，有一定的阈值能量；所以，粒子能量小于此阈值能量的不能越过，能量大于此阈值能量的可以越过。举例来说，我们骑自行车过坡道，如果先用力骑，因此有一定初入能量，坡道不高的话，即使不蹬自行车也可以依靠惯性过去；但是，如果坡道很高，不蹬自行车，可能车到了一半，可能就退回来了。而量子力学则认为，即便是粒子能量小于阈值能量，同时很多粒子冲向势垒，虽然也有一部分粒子会反弹，但是还会有一些粒子可以越过去，好像有一个隧道，因此称为量子隧道。

对比二者的差异发现，宏观上的确定性在微观上常常就具有不确定性。因为隧穿几率极小，因此通常情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，但是某些特殊条件下也会出现。当微电子器件进一步微型化是必须要考虑量子效应。NAND FLASH的擦写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）；另外，NOR FLASH擦除数据也是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。对于FLASH闪存单元来说，它是为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力。举个栗子，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，除非你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。

绝缘浮置栅极是NAND存储数据的核心

UFS 30快到原地飞起 关于存储的二三事

上月底，微电子行业标准发展的全球领导者——固态技术协会JEDEC发布了UFS v3.0标准，单通道带宽提升到11.6Gbps，是HS-G3(UFS 2.1)性能的2倍。而由于UFS支持双通道双向读写，所以UFS 3.0的接口带宽最高可达23.2Gbps，也就是2.9GB/s。

UFS 3.0快到原地飞起 关于存储的二三事

前几天这条新闻见诸各大科技媒体，但不少朋友都看的一脸蒙圈：UFS3.0是什么鬼？23.2Gbps的带宽在手机上意味着什么？UFS3.0都用啥用？用在手机上会给我们带来哪些提升？所以本期发烧学堂，我们就来聊聊UFS 3.0存储技术，给大家答疑解惑。

从UFS说起的手机存储

某品牌发布会上，台上说：我们用的是UFS2.1存储！

旁边大哥一声尖叫吓我一跳。我跟该大哥搭话——

我：我说大哥你尖叫个啥，不会是厂商花钱雇来的托儿吧？不就是个存储么？

某大哥一脸鄙夷：听说过固态硬盘SSD不？着UFS就是手机上的SSD！传输速度更快！

我：那为啥叫UFS不叫SSD？不就是更快么，有个X用？下小电影会更快么？

某大哥瞬间脸色变黑......

（PS：别学我，容易没朋友）

其实这大哥说的没错，现在的UFS存储确实要比以前的eMMC存储传输速度更快。但为啥更快？它们之间又有哪些区别？手机存储经历了哪些发展？我们一起来梳理一下：

eMMC和UFS都是个啥？

准确的说，应该是技术标准，而不是芯片硬件本身。由于存储芯片在封装时运用了这些技术标准，所以习惯上都会用这些字母缩写来称呼这些芯片的类型。

eMMC全称为“embedded Multi Media Card”，即嵌入式的多媒体存储卡 ，由MMC协会所订立。从eMMC4.3一路发展到4.4、4.5直到现在的5.0、5.1，传输速度也从50MB/s一路狂飙到最新eMMC5.1的600MB/s，而常见于手机上的eMMC5.1实际读取速度不会超过300MB/s。

由于单通道的结构性质，eMMC不能同时读写数据，不支持多线程，想提升这种存储单元的性能，只有不断改进eMMC的总线接口，也就是我们刚才说的eMMC的版本升级。这也注定了eMMC存储不会有太高的提升空间。

两种标准的通道区别（图片引自网络）

UFS全称为“Universal Flash Storage”，即通用闪存存储 ，由固态技术协会JEDEC订立。相比于eMMC，其优势就在于使用高速串行接口替代了并行接口，改用了全双工方式，收发数据可以同时进行。

之前厂商们大力宣传的UFS 2.0规范分为两种，强制标准为HS-G2，可选标准为HS-G3。HS-G2 1Lane最高读写速度为2.9Gbps（约为360MB/s），2Lane最高读写速度为5.8Gbps（约为725MB/s）。可选标准HS-G3 1Lane最高读写速度为5.8Gbps（约为725MB/s），2Lane最高读写速度为11.6Gbps（约为1.45GB/s）。

UFS 2.1的闪存存储标准速度标准没有任何变化，主要是在设备健康、性能优化、安全保护三个方面进行了升级。

在文初我们说的UFS3.0在这一个基础上再次升级，带宽是UFS 2.1的2倍，理论的接口最大带宽为23.2Gbps，即传输速度为2.9GB/s。相比于最新eMMC5.1标准，理论上有着接近5倍的性能优势。

苹果用的是哪种协议的存储？

我们经常会听到这样一个说法，苹果的存储特别特别快，所以手机流畅。那么iPhone用的是UFS吗？其实并不是。从iPhone 6s开始，苹果在手机上用的是使用NVMe(Non-Volatile Memory express)接口协议 ，这种协议在电脑的SSD上比较常见。

在当时，iPhone 6s的闪存实际性能就达到了连续读取速度402MB/s，连续写入速度164MB/s的水准。发展到iPhone 8这一代，性能也有了进一步的提升。iPhone 8 Plus实测读取速度为1131MB/s 。而目前除了少数国际旗舰的UFS2.1读取速度能达到1100MB/s以上外，主流安卓机上用的UFS 2.1实际读取速度一般700MB/s出头 ，所以大多读取性能不如iPhone也理所当然。

不同类型的存储价格差异大吗？

既然UFS存储的性能这么牛X，那是不是比eMMC贵上很多？还真不是，其原因要从存储芯片的封装说起。

不同标准的存储价格（数据来源全球半导体观察网）

我们提及存储时，都在说有多大多大容量，事实上，手机储存容量、固态硬盘、U盘和SD卡等使用的都是一种叫做NAND的储存介质，NAND闪存是一种非易失性存储技术，即断电后仍能保存数据。我们刚才所说的存储，都是在NAND存储芯片的基础上，再加上了控制芯片，接入标准接口，进行标准封装而成的。

这样封装的好处就在于可以使结构高度集成化，而且当手机客户选用封装好的存储芯片进行手机硬件堆叠时，不需要处理其它繁琐的NAND Flash兼容性和管理问题。

之前苹果的存储内存混用一事闹得沸沸扬扬，其原因就在于NAND闪存颗粒也有不同。根据单元存储密度的差异，闪存分为SLC、MLC、TLC三种类型：

SLC（单层式存储） ，单层电子结构，写入数据时电压变化区间小，寿命长，读写次数在10万次以上，但造价高。

MLC（多层式存储） ，使用高低电压构建的双层电子结构，寿命长，造价可接受，读写次数在5000左右。

TLC（三层式存储） ，是MLC闪存延伸，存储密度最高，容量是MLC的1.5倍。 造价成本最低，但使命寿命低，读写次数在1000~2000左右。

所以，采用eMMC和UFS标准虽然对价格有一定影响，但并不是所有原因，还要看闪存颗粒的类型。据悉，采用UFS3.0标准的存储芯片价格会更高一些。当然，苹果的NVMe接口协议的存储芯片价格也不低。

传输速度会给我们带来哪些影响

说可这么多，相信大家最关心的问题还是存储芯片的传输速度会给我们带来哪些影响。其实这个问题不难回答。相信给电脑加装过SSD的朋友都会有这样的体验：以前机械硬盘开机少说也得三十多秒，用了SSD后，开机时间不到10秒了；加载大型游戏能够明显感觉快出很多。在手机上用高速的存储芯片道理是相同的，就是让手机加载更快。

举个大家都有认知的例子：同时代的iPhone游戏加载速度回明显优于安卓手机，其中原因除了处理器性能和软件系统优化外，很大一部分原因就来自于苹果NVMe接口协议存储芯片的高读取速度。当然，得益于此的还有应用的加载速度。

喜欢用手机拍照的朋友，在以前肯定都有这样的烦恼：拍照时手机反应慢，按快门后得等很长一段时间才能拍摄成功；手机里存的照片太多，照片加载特别慢，稍微一滑动手机就会卡到爆。其原因除了手机处理器和软件的优化外，就是因为存储的写入和读取速度太慢造成的。

所以，在不考虑处理器和软件的情况下，存储拥有了更高写速，拍照片就可以更快响应。另外，也允许了像素更高、帧数更多的视频录制；存储读速更高，多张照片和超高质量视频加载得就更快，操作和播放的卡顿就更少。

另外，相比于eMMC，UFS的优势还在于采用了全双工方式，收发数据可以同时进行。打个比方来说，eMMC就相当于一条只允许一辆车经过的通道，对面的车要等通道内的车出来以后才能进入通道。而UFS则是双向车道，允许来往车辆同时运行。即用UFS存储的手机在执行多任务时，无需等待上一进程结束，效率自然提升不少。

那么UFS3.0会给我们带来什么？

刚才提到有更快的加载速度、允许画面质量更高、帧数更多的视频拍摄和播放。除了这些，还能给安卓手机带来什么呢？

首先，UFS 3.0的接口带宽最高可达23.2Gbps，也就是理论传输速度可达2.9GB/s。当然实际速度会有所折损，但应该不会低于2GB/s，这就远远高于iPhone 8 Plus实际读取速度1131MB/s。所以如果苹果的存储方案没有大幅度升级的话，下一代产品将被采用UFS3.0存储的手机超越，iPhone在游戏加载速度上将不具有优势。

我们即将进入网速更快的5G时代（图片来自网络）

另外，我们也将进入5G时代。5G网络最高理论速率可达20Gbps，也就是2.5GB/s左右，按照理论数据一瞬间就可以下载一部高清电影。但问题就在于市面上的手机存储芯片都没有这么高的写入速度。所以，以后制约下载速度的将不再是网速，而是存储。UFS3.0的大带宽显然与5G的高网速更般配。

但近一年内，UFS3.0应该不会投入手机市场。因为麒麟970、骁龙845、Exynos9810等研发较早，暂时没有信息证明这三款旗舰处理器支持UFS3.0标准，所以大概只有等到2019年才能在手机上见到。

写在最后

看到这里，相信大家已经对手机存储有了一定的了解。最后，我们来说一下如何鉴别储存芯片类型：下载一款名为AndroBench，进行速度测试。

标准顺序读取（Sequential Read）MB/s顺序写入（Sequential Write）MB/s eMMC 5.1250 125 eMMC 5.0 250 90 eMMC 4.5140 50

eMMC实际测试参考数值

eMMC速度可以参照表格，一般来说顺序读取速度不超过300MB/s的芯片均为eMMC标准芯片。现在见于主流机型上的UFS标准芯片顺序读取速度在700MB/s左右。当然，如果你碰到顺序读取速度到1100MB/s，那可以说该手机厂商十分良心了。

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