什么闪存？NAND Flash与NOR Flash有什么区别？

什么是闪存？

闪存是一种非易失性、可编程、基于芯片的高速存储技术，即使断电也能保留数据。闪存主要有两种类型：分别是NAND和NOR。

什么是NAND？

闪存将数据存储在由金属氧化物半导体是浮栅晶体管（FGT）定义的存储单元阵列中，该晶体管存储二进制数据 1 或 0。每个晶体管都有两个栅极，分别是控制栅极和浮动栅极。

与DRAM内存不同，NAND在断电后也能够储存数据。闪存断电时，浮栅晶体管 (FGT) 的金属氧化物半导体会向存储单元供电，保持数据的完整性。NAND单元阵列存储1到4位数据。

NAND Flash存储器具有容量较大，改写速度快等优点，适用于大量数据的存储，因而应用广泛，如嵌入式产品中包括手机、数码相机、U盘等。

常见NAND闪存类型：

常见的 NAND 类型有SLC、MLC、TLC和3D NAND。垂直堆叠单元的 3D NAND 拥有更高的性能、密度。

SLC： 单级单元，SLC NAND每个单元存储一位信息。SLC NAND具有相比于同类产品中最高的耐用性，同时SLC NAND 是当今市场上价格最贵的闪存。

MLC： 多级单元，MLC NAND每个单元存储两位信息。与SLC NAND相比，提高了单元存储数据量，从而降低了单元数据储存的成本，但是降低了耐用率。

TLC： 三级单元，TLC NAND每个单元存储三位，从而降低成本和耐用性并增加容量。它的耐用率较低，是最便宜的闪存类型，主要用于消费级电子产品。

QLC： 四级单元，QLC NAND每个单元存储四位，从而创建更高密度和大容量的存储设备。QLC NAND具有较低的读取延迟，更适合机器学习、人工智能（AI）、大数据等应用程序的数据读取操作，但是耐用性更差，价格也会更便宜。

3D NAND： 为了提高NAND设备的容量，3D NAND通过垂直堆叠多层存储单元来提高容量并降低成本，3D NAND设备实现了更高的密度和更低的功耗、更快的读写速度以及更高的耐用性。

什么是NOR闪存？

NOR Flash是第一种面世的闪存。NOR闪存芯片上的单元彼此平行排列，因此读取效率高，不易出错，但写入速度慢，常用于代码一次编写、多次读取的应用场景，多用来存储程序、操作系统等重要信息。

NAND与NOR的区别：

（1）市场占比： NAND闪存的使用量远远超过 NOR闪存。NAND Flash的具体产品包括USB（U盘）、闪存卡、SSD（固态硬盘），以及嵌入式存储（eMMC、eMCP、UFS）等，应用广泛。得益于汽车电子和物联网，近几年NOR Flash市场正在飞速增长。

（2）读取性能： NOR闪存的读取速度比NAND闪存快。因为读取数据时，NAND Flash首先需要进行多次地址寻址，然后才能访问数据；而 NOR Flash是直接进行数据读取访问。

（3）写入、擦除性能： 与读取性能相反，NAND芯片的写入和擦除速度比NOR器件更快。NAND器件执行擦除操作简单，擦除单元更小，擦除电路更少，且写入单元小，因此NAND的擦除和写入速度远比NOR更快。

（4）耐用性： 在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。

（5）存储密度： NOR存储器的密度低于同等的 NAND 闪存芯片。

（5）应用场景： NOR Flash闪存通常用于消费电子、物联网、车载与工业领域，而 NAND 用于数码相机、智能手机、平板电脑、储存卡、固态硬盘和计算机中。

尽管NAND闪存是当前最流行的闪存类型，但NOR闪存仍有自己的技术优势。目前SK海力士宣布通过321层4D NAND样品发布，预计2025年上半年实现量产，随着闪存技术的不断发展，我们在未来能够使用上性能更好，价格更实惠的闪存产品。

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：

需要先擦除再写入

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。

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