D ram nand 闪存芯片NOR Flash，NAND Flash傻傻分不清楚 ICMAX帮你搞定

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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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。

ReRAM：DRAM和NAND的最强继任者？

存储器是半导体产业的重要分支，约占全球半导体市场的四分之一至三分之一。存储器已经形成主要由DRAM与Flash构成的超千亿美元的市场。尽管存储器产品品类众多，但从产品营收贡献的角度来看，DRAM和Flash（NAND、NOR）的营收占比超95%。

DRAM与Flash虽然在存储器领域近乎“绝对垄断”，但是，人工智能、物联网、5G到来，都加速了数字化浪潮来袭。在这个背景下，数据处理的需求量呈指数级上升，半导体从业者纷纷加大对存储技术的研发与投资，想实现成本更低、速度更快、效能更好的存储。

龙头也有短板

存储市场中，最常见且被广泛应用的存储器为DRAM与NAND。近年来随着半导体制程持续朝更小的技术节点迈进，DRAM与NAND严重面临尺寸微缩挑战，DRAM目前已接近微缩极限，而NAND则全力朝3D架构转型。

此外，随着数据量的爆发增长，DRAM及NAND在耗电量及数据访问速度上已无法跟上需求的脚步。他们在需要高速运算的应用场景中也有一些阻碍。

基于这些原因，下一代存储技术为了补位，出现在大家的视野中。

新生代存储：PCRAM、MRAM、ReRAM

经过各个厂商数十年的不懈努力，下一代存储已经出现了几位极具潜力的种子选手：PCRAM、磁阻式内存MRAM、以及电阻式内存ReRAM。这些新兴存储的技术性能也各有差异。

PCRAM（相变随机存储器）

PCRAM是一种利用相变材料作为存储介质，通过相变材料在电流的焦耳热作用下，在结晶相态和非晶相态之间快速并可逆的转换时，会呈现出的不同电阻率这一特性来实现数据存储的技术。

与NAND相比，PCRAM在写入更新代码之前不需要擦除以前的代码或数据，所以在速度方面，比NAND有优势，读写时间较为均衡。然而，PCRAM虽然读写速度比NAND有所提高，但冷却过程会带来更高功耗。其次，为了使相变材料兼容CMOS工艺，PCRAM必须采取多层结构，因此存储密度过低，在容量上无法替代NAND。

PCRAM早已逐渐步入产业化进程。

2006年，英特尔和美光成立IM Flash Technologies，开始合作研发新的存储器技术。2012年，双方开始合作3D XPoint存储项目，3D XPoint技术也是PCRAM的一种。2015年7月，美光和因特尔联合发表了发表双方共同研发的存储器技术：3D XPoint存储器技术。

MARM（磁性随机存储器）

MRAM（磁性随机存储器）靠磁场极化而非电荷来存储数据，存储单元由自由磁层、隧道栅层、固定磁层组成。自由磁层的磁场极化方向可以改变，固定层的磁场方向不变，当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低电阻；反之呈高电阻，通过检测存储单元电阻的高低，即可判断所存数据是0还是1。MRAM拥有SRAM的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

MRAM最大的缺点是存储单元之间存在干扰，当对目标位进行编程时，非目标位中的自由层很容易被误编程，尤其是在高密度情况下，相邻单元间的磁场的交叠会愈加严重。

从开始研究到现在，MRAM已经有20多年历史了。

上世纪末，前沿半导体公司已经开始对MRAM的研究。1995年摩托罗拉（其芯片部门后独立成为飞思卡尔半导体，飞思卡尔半导体在2015年被恩智浦收购）演示了第一个MRAM芯片，并生产出了1MB的芯片原型。

20多年来，IBM、TDK、STT、Intel、格芯、ST意法半导体等公司相继入局，都在MRAM的商用产品上有了自己的产品或技术。今年1月份，三星公司成功开发出新的MRAM阵列。

ReRAM（阻变存储器）

ReRAM（阻变存储器，也称忆阻器）是当下最有前景的新型非易失性存储技术之一，其器件结构简单，操作方式简捷，具有尺寸易于缩小，高速度，低功耗，低成本，易与CMOS工艺兼容等诸多特点。

典型的ReRAM由两个金属电极夹一个薄介电层组成，介电层作为离子传输和存储介质。在上下电极间施加电压，中间的阻变层中会形成一条导电通道。通过改变上下电极间的电压来控制导电通道的状态，进而使得存储器件的电阻值发生变化。不同的电阻值代表不同的存储状态，即使去掉电极上的电压信号，电阻值仍然会继续保持，因此可以实现非易失性存储。

ReRAM的单元面积小，读写速度是NAND的1000倍，同时功耗可以降低15倍。

ReRAM工艺也更为简单。以Crossbar为例，Crossbar的ReRAM能够使用标准的CMOS工艺与设备，对产线无污染，整体制造成本低，可以很容易地让半导体代工厂具备ReRAM的生产制造能力，这对于量产和商业化推动有很大优势。

从密度、能效比、成本、工艺制程和良率各方面综合衡量，ReRAM存储器在目前已有的新型存储器中具备明显优势。

多点开花的ReRAM应用领域

ReRAM的优越性能也让其应用也十分广泛。

AIoT：效能与安全是要义

AIoT主要由微型设备组成，供电能力弱且需要数据实时交互，因此不仅要求存储器件低功耗，也需要高速度和低延迟。ReRAM在读写速度和功耗几倍到几百倍的提升，并可实现更高的存储密度。

AIoT的数据要求具备基本的信息安全和隐私保护能力。一些厂商的ReRAM都带有PUF密钥，每颗存储芯片都拥有唯一信任根和唯一主动标识ID，结合通用密码算法，实现数据和程序的防复制和防篡改能力。

人工智能：亟需打破存储墙

人工智能不断发展，对存储和计算提出了更高的要求。目前计算机还是依然延续冯·诺依曼结构，存储单元和计算单元独立分开，

现有冯·诺伊曼计算系统采用存储和运算分离的架构，存在“存储墙”与“功耗墙”瓶颈，严重制约系统算力和能效的提升。“能效比低”已经成为人工智能芯片的瓶颈问题。

ReRAM可以直接在芯片上集成处理逻辑，从而实现全新的以内存为中心的SoC架构。ReRAM的优越特性有助于解决这些算法所需的性能和能源挑战。通过减少存储和计算之间的性能差距。

数据中心：高速计算提出更高要求

DRAM读写速度很快，但是无法下电保存数据，NAND密度高，可以下电保存数据，但是读写速度延迟高。高速计算、5G、万物互联等应用场景正在推动数据中心、智能终端的高速增长和转型，对数据中心和智能终端提出了性能的更高要求。

通过利用ReRAM密度高、能耗低、读写速度快及可下电数据保存的特点，能帮助用户大幅提升数据中心性能，降低能耗，达到运营成本的大幅降低。

国内外厂商的ReRAM布局

ReRAM相比MRAM和PRAM，研究要稍晚。2000年，夏普购买了美国休斯敦大学的相关专利后，才引起学术界和业界的研究。由于ReRAM独特的优势，主流存储器厂商也纷纷投入力量，开始对ReRAM的研究。ReRAM也已经由实验室阶段进入到企业的研发阶段。

松下在2013年开始出货ReRAM，成为了世界第一家出货ReRAM的公司。

2016年11月，富士通半导体开始销售其与Panasonic共同开发的4兆字节（MB）ReRAM芯片。今年4月，富士通推出12Mbit ReRAM MB85AS12MT，这是富士通ReRAM产品系列中密度最大的产品。

ReRAM技术的领导者Crossbar成立于2010年。Crossbar将其技术作为现成的或定制的IP内核授权给SoC和内存公司。Crossbar也在积极发展其生态系统硬件和软件合作伙伴。2021年7月，Crossbar它宣布将其ReRAM设备用于PUF应用。

Intrinsic是伦敦大学学院的一家衍生公司，旨在将新型忆阻ReRAM器件商业化。今年2月份，Intrinsic及其合作伙伴imec已将Intrinsic的ReRAM技术扩展到50nm。

今年3月，Weebit宣布，借助CEA-Leti，将其ReRAM技术缩小到22nm。两家公司正在设计一个完整的IP内存模块，该模块集成了一个针对先进的22nmFD-SOI工艺的多兆位ReRAM块。Weebit也正在迅速加快其开发计划。

实质上，除去专门研究生产ReRAM的存储厂商，还有一些存储厂商采取的是两边下注的策略。因为他们要确保一旦DRAM和NAND不能再满足市场发展需求，必须有一些研究成果可以取而代之。

2016年，西部数据就宣布将在即将推出的专用SSD中使用3D ReRAM，以取代NAND闪存。

国内在ReRAM领域的研究也有了一些成果。

今年2月16日，由昕原半导体主导建设的大陆首条28/22nm ReRAM 12寸中试生产线顺利完成了自主研发设备的装机验收工作，实现了中试线工艺流程的通线，并成功流片。

实际上，昕原半导体专注于ReRAM领域，是一家集核心技术、工艺制程、芯片设计、IP授权和生产服务于一体的新型IDM公司。该公司的核心产品覆盖高工艺嵌入式存储、高密度非易失性存储、存内计算及存内搜索等多个领域。

除了IDM厂商外，代工厂商也积极发展先进技术以配合ReRAM的发展与生产。

2016年，中芯国际与Crossbar签订一份代工协议，基于中芯国际40纳米CMOS制造工艺，为Crossbar生产ReRAM。2017年，中芯国际正式出样40nm工艺的ReRAM芯片。

2021年，台积电40nmReRAM进入量产，28nm和22nmReRAM准备量产。

ReRAM未来前景光明，近几年，也是ReRAM发展最关键的时期。在新兴的存储技术中，ReRAM技术对于降低存储器计算的能耗、提高成本效益至关重要，因而极具发展前景。然而，要想把握这些机会，真正成为DRAM和NAND的继任者，ReRAM还有很长的路要走。

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新生代存储：PCRAM、MRAM、ReRAM

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