闪存芯片NOR Flash、NAND Flash傻傻分不清楚 ICMAX帮你搞定

通过前天的文章介绍，我们知道eMMC 是 Flash Memory 的一类，eMMC的内部组成是NAND flash+主控IC，那什么是Flash Memory、NOR Flash、NAND Flash，宏旺半导体就和大家好好捋一捋它们几者之间的关系。

Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。在 PC 系统中，则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。另外，绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。

1. Flash Memory 的主要特性

与传统的硬盘存储器相比，Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下：

Flash Memory 写入数据时有一定的限制，它只能将当前为 1 的比特改写为 0，而无法将已经为 0 的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。

块擦除次数有限

Flash Memory 的每个数据块都有擦除次数的限制（十万到百万次不等），擦写超过一定次数后，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。

为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上需要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理（Bad Block Management，BBM），标识坏块，不让坏块参与数据存储。（注：除了擦写导致的坏块外，Flash Memory 在生产过程也会产生坏块，即固有坏块。）

读写干扰

由于硬件实现上的物理特性，Flash Memory 在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常，这种异常可以通过重新擦除来恢复，Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。

电荷泄漏

存储在 Flash Memory 存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误，不过这个时间比较长，一般十年左右，此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。

2. NOR Flash 和 NAND Flash

根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。 主要的差异如下所示：

· NAND Flash 读取速度与 NOR Flash 相近，根据接口的不同有所差异；

· NAND Flash 的写入速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 的擦除速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 最大擦次数比 NOR Flash 多；

· NOR Flash 支持片上执行，可以在上面直接运行代码；

· NOR Flash 软件驱动比 NAND Flash 简单；

· NOR Flash 可以随机按字节读取数据，NAND Flash 需要按块进行读取。

· 大容量下 NAND Flash 比 NOR Flash 成本要低很多，体积也更小；

（注：NOR Flash 和 NAND Flash 的擦除都是按块块进行的，执行一个擦除或者写入操作时，NOR Flash 大约需要 5s，而 NAND Flash 通常不超过 4ms。）

2.1 NOR Flash

NOR Flash 根据与 CPU 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的 SRAM/DRAM Controller 上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问，因而支持片上执行。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 连接。

图片： Parallel NOR Flash 与 Serial NOR Flash

鉴于 NOR Flash 擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。

2.2 NAND Flash

NAND Flash 需要通过专门的 NFI（NAND Flash Interface）与 Host 端进行通信，如下图所示：

图片：NAND Flash Interface

NAND Flash 根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。

NAND Flash 的一个存储单元内部，是通过不同的电压等级，来表示其所存储的信息的。在 SLC 中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示 0 和 1 两个状态，即 1 个比特。在 MLC 中，存储单元的电压则被分为 4 个等级，分别表示 00 01 10 11 四个状态，即 2 个比特位。同理，在 TLC 中，存储单元的电压被分为 8 个等级，存储 3 个比特信息。

图片： SLC、MLC 与 TLC

NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。下图 中，给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。

相比于 NOR Flash，NAND Flash 写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash，PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。

3. Raw Flash 和 Managed Flash

由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限，为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值，通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。

在具体实现中，根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类。

图片： Raw Flash 和 Managed Flash

Raw Flash

在此类应用中，在 Host 端通常有专门的 FTL 或者 Flash 文件系统来实现坏块管理、擦写均衡等的功能。Host 端的软件复杂度较高，但是整体方案的成本较低，常用于价格敏感的嵌入式产品中。通常我们所说的 NOR Flash 和 NAND Flash 都属于这类型。

Managed Flash

Managed Flash 在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。相比于直接将 Flash 接入到 Host 端，Managed Flash 屏蔽了 Flash 的物理特性，对 Host 提供标准化的接口，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 Flash 进行特殊的处理。eMMC、SD Card、UFS、U 盘等产品是属于 Managed Flash 这一类。

看完这篇文章，相信对Flash memory都会有一个全面的了解，无论是其原理，还是NOR Flash 和 NAND Flash、Raw Flash 和 Managed Flash 之间的异同，欢迎关注宏旺半导体，会持续带来存储领域更专业的文章。

东芝停工、NAND Flash又要涨价了？宏旺半导体：国产替代来临

受新型冠状病毒疫情扩大影响，东芝宣布关闭在日本国内所有的工厂，争取最大限度地减少接触。尽管NAND控制芯片大厂群联发布声明NAND Flash芯片供应并没有收到很大的影响，但业界人士认为，目前东芝在整个 NAND 市场占据超过全球五分之一的份额，一旦产能受到影响，整个市场格局、产品价格势必会有所反馈。

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之前宏旺半导体有说过，在存储器芯片领域，主要分为两类：易失性和非易失性。易失性：断电以后，存储器内的信息就流失了，例如 DRAM，主要用来做PC机内存(如DDR)和手机内存(如LPDDR)，两者各占三成。非易失性：断电以后，存储器内的信息仍然存在，主要是闪存（Nand FLASH 和 NOR FLASH），NOR 主要应用于代码存储介质中，而 NAND 则用于数据存储。

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NAND Flash是目前闪存中最主要的产品，具备非易失、高密度、低成本的优势。在NAND闪存中，数据是以位（bit）的方式保存在Memory Cell中，一个Cell存储一个bit，这些Cell或8个或16个为单位，连成bit line，而这些line组合起来会构成Page，而NAND闪存就是以页为单位读写数据，以块为单位擦除数据，故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级，却也比传统的机械硬盘快3个数量级，被广泛用于 eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。

NAND Flash在存储芯片中举足轻重，因而一旦在半导体产业占据着重要地位的的日企纷纷停产，将会对全球制造业产生断供风险。宏旺半导体之前提过，由于半导体存储器是一个高度垄断的市场，其三大主流产品 DRAM，NAND Flash，NOR Flash 更是如此，一旦上游供货紧缺，垄断市场之下，除了产品涨价也别无他法，并且寡头垄断的格局使得下游客户面临存储芯片涨价毫无议价能力。

其实，从 2019 年第四季度起，NAND Flash 销售总量便呈现上扬趋势，据集邦咨询半导体研究中心调查显示，2019 年第四季度，NAND Flash 销售总量季增近 10%，市场逐渐供不应求。疫情影响下，云端服务需求更加速上升，连带提升 NAND 存储需求。再者，随着各国、各地区为管控疫情开始实施远程办公、远程教育，对笔记本电脑需求急速上升，已经现缺货，进而提升 NAND 存储需求。

在面对市场日益增长的需求和国外品牌难以提供稳定供货情形下，以宏旺半导体ICMAX为代表的国产存储芯片品牌，能自主研发、生产、销售，保证客户所需的稳定供货链。

针对多元化的场景，宏旺半导体推出了可用于智能手机、AR/VR 设备、车载等多场景的 eMMC、eMCP、UFS、UMCP，能为移动设备提供快速可靠的连接；打造了能满足超薄笔记本、车载电子等多种需求，拥有2.5寸、mSATA、M.2 NGFF 、M.2 NVME等不同的SSD系列，能够满足并超越 5G 时代的计算需求。

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在我国芯片高度依赖进口的严峻形势下，民族企业在存储领域的前瞻布局和突破成果，无疑为实现”芯片国产化替代“提供了重要支撑。尽管当前国内存储芯片厂商与国外还存在着一定的差距，但只要埋头苦研技术，相信未来会取得更多进步。

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