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

电子产品的记忆力：NOR、NAND和UFS到底有什么区别？

东芝在1984年开发出名为闪存的新型半导体存储器。实际上闪存也分为NOR和NAND两种，我们平时提及最多的乃是后者。

NOR：最早出现的闪存类型

最早问世的NOR型闪存的容量较小、使用简单、支持按字节寻址且随机读取速度快，可以实现XIP片内执行。通常用在路由器、机顶盒、物联网设备中，起到存储固件的作用。个别固态硬盘中也能看到NOR闪存用作固件存储器：

NOR闪存表现的更接近内存，小区块数据的随机读取速度比NAND闪存更快。在一些对性能要求不高的设备当中，可以让固件代码直接在NOR闪存当中运行，而无需独立的RAM内存组件。

除此之外，NOR闪存的使用也非常简单。使用中无需纠错引擎，只要十几块钱的编程器就可以对它进行烧录。

下图为利用编程器和SOP8免拆夹子对NOR闪存中的固件进行改写。NOR闪存的容量一般不超过256MB，路由器上多使用16MB或32MB容量。

NAND闪存：

如果不是NAND型闪存的出现，恐怕我们还生活在功能机时代。东芝在1987年开发了NAND型闪存，由于容量比NOR闪存大的多，NAND随后被广泛应用于各种存储卡和电子设备当中，成为应用最广泛的闪存类型。

下图是东芝TR200固态硬盘当中的BiCS3闪存，采用64层堆叠3D结构，TLC类型的它每个存储单元可以存储3bit数据。

NAND闪存的出错率比NOR闪存更高，需要专门设计的主控芯片进行管理。一颗固态硬盘主控包含FTL闪存转换层、数据纠错、磨损均衡、垃圾回收管理等功能模块。尽管使用起来比较复杂，但3D NAND闪存带来了极高的存储容量。使用BiCS3闪存的东芝TR200固态硬盘可以提供高达960GB的容量选择。

不过NAND型闪存的最小读写单位是Page而非字节，在闪存芯片当中一个Page的大小通常为16KB。NAND闪存的擦除单位是更大的Block，在东芝BiCS3闪存当中一个Block的容量高达12MB。NAND闪存没有办法像RAM内存那样自由寻址，而只能被用作硬盘存储器。

NAND的容量优势成就了它的主流地位，NOR闪存虽然并没有消失，但已经在越来越多的地方被NAND闪存所取代。

UFS闪存：

UFS其实并不属于一种独立的闪存类型，它是在NAND闪存的基础上增加了闪存控制器，并采用标准的封装接口。UFS存储芯片既承担了过去NOR闪存提供的固件存储与系统开机功能，也承担起NAND闪存的大容量数据存储职能。

UFS闪存不仅广泛应用在智能手机当中，车载电子产品中也大量应用了东芝推出的宽温型UFS芯片（支持-40℃至105℃），在高温、震动工控下它可以提供高速和可靠的数据存储功能，助力物联网与自动驾驶应用的发展。

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