我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

【IT168 评论】无论消费者还是企业机构，大多数人在谈到闪存时，首先想到的就是NAND闪存。从一定的现实意义上来讲，NAND闪存可以说已经成为固态硬盘的代名词。基于块寻址结构和高密度，使其成为磁盘的完美替代品。

　　NOR闪存是另一种与NAND不同的闪存类型，它具有不同的设计拓扑结构，某些特定的应用场景下更为适合。在比较NAND和NOR闪存在不同应用中的相对优势和适用性之前，检查其结构差异是很重要的。

　　NAND闪存产品是当今已经达到高水准的存储芯片，是当前市面上嵌入式以及独立式SSD的主要原材料。多层单元(MLC)技术和3D制造工艺的结合，将NAND存储单元垂直蚀刻到硅衬底上，使存储密度和NAND芯片容量呈几何级增长。

　　NAND与NOR电路基础

　　尽管NAND闪存是这两种非易失性内存技术中相对流行的一种，但NAND和NOR都是由同一名东芝公司的工程师在上世纪80年代中期发明的。要理解这两个种类的区别和命名，需要简要回顾一下逻辑门的基础知识。

　　NAND和NOR分别涉及到布尔逻辑函数中的逻辑“和”（and）以及“或”（or）。如下所示，NAND和NOR都生成响应两个二进制输入的输出。

响应两个二进制输入的NAND和NOR输出

　　NAND和NOR逻辑门仅仅为它们各自的功能实现了上面这个真值表。

　　NAND门在概念上是作为AND门实现的——当两个输入都是1时输出1——后面跟着一个NOT门，这是一个逻辑反转。相应的，NOR门在概念上是一个OR门——有任何一个输入是1时输出1，然后是NOT门，这是一个逻辑倒装。

　　布尔逻辑的背景对于理解NAND和NOR闪存至关重要，因为闪存单元被连接到一个行和列的数组中。在NAND闪存中，一组中的所有单元(通常是一个字节的倍数，取决于芯片的大小)共享一条位线，并以串行方式连接每个单元，每个单元连接到一个单独的字行。同一字行连接一个内存块中的多个字节，通常为4 KB到16 KB。因此，只有当所有的字线都是高或单状态时，位线才会降低或变为零状态，这实际上将内存组转换为一个多输入NAND门。

　　与此相反，NOR闪存并行组织位线的方式是，当位线和字线都处于低或零状态时，内存单元只保持高或单状态。

　　NAND单元的串联结构使得它们可以通过导电层(或掺杂层)连接在衬底上，而不需要外部接触，从而显著减少了其横截面积。

　　NAND闪存单元的串联连接意味着它们不需要单元之间通过金属层进行外部接触——而这正是NOR拓扑结构所需的。使用导电层连接硅衬底上的单元意味着NAND闪存的密度通常比NOR高两个数量级，或100倍。此外，组内单元的串联连接使它们可以垂直地堆积在3D数组中，位线类似于垂直管道。

　　相反，由于NOR闪存单元不能单独寻址，因此它们对于随机访问应用程序更快。

　　NAND与NOR产品类型

　　这两种类型的闪存具有明显的特性和性能差异，它们有各自最适合的应用程序类型。除了容量外，NAND和NOR闪存还具有不同的运行、性能和成本特性，如下图所示。

　　这两种闪存中也有几种不同的产品类型，它们在I/O接口、写入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

　　NAND闪存产品类型

　　NAND闪存以单层（SLC）、多层（MLC）、三层（TLC）或四层（QLC）的形式在每个单元（cell）中存储bit，分别为1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要确定哪种类型的NAND最适合于工作负载，简单来说，每个单元的位数越高，其容量就越大——当然，是以数据持久性和稳定性为代价的。

　　NAND设备只是没有任何外围电路的存储芯片，这些外围电路使NAND闪存可以在SSD、U盘或其他存储设备中使用。相比之下，托管型NAND产品嵌入了一个内存控制器来处理必要的功能，比如磨损调平、坏块管理(从使用中消除非功能性内存块)和数据冗余。

　　NOR闪存产品类型

　　串行设备通过只暴露少量(通常是1到8个)I/O信号来减少包的pin数。对于需要快速连续读取的应用程序来说，这是理想的选择。NOR闪存通常用于瘦客户机、机顶盒、打印机和驱动器控制器。

　　并行NOR产品暴露多个字节，而且通常使用内存页而不是单独的字节进行操作，更适用于启动代码和高容量应用程序，包括数码单反相机、存储卡和电话。

　　两种闪存都是不可或缺的

　　NAND是闪存的主力，广泛用于嵌入式系统和SSD等存储设备的大容量数据存储。不过，NOR 闪存在存储可执行的启动代码和需要频繁随机读取小数据集的应用程序方面起着关键作用。显然，这两种类型的闪存将继续在计算机、网络和存储系统的设计中发挥作用。

　　原文作者：Kurt Marko

NAND闪存穷途末路 下一代闪存技术百花齐放

由于闪存技术的发展，闪存正从U盘、MP3走向电脑、存储阵列等更广泛的领域。虽然其速度较以往的机械硬盘有了较大幅度的提升，但纵观整个计算架构，闪存仍旧是计算系统中比较慢的部分。况且目前主流的MLC和TLC在写入寿命上都还不尽如人意，并且随着工艺水平的提升，其寿命和良率还有越来越糟的倾向。闪存生产线已经达到15nm的水平，存储密度难在攀升、寿命却大幅下降。所以业界各个巨头都在积极研究下一代非易失性存储技术。

日前，镁光在IEEE IEDM 2014(国际电子设备大会)上就公布了其最新的可变电阻式存储（ReRAM）技术的最新进展。美光在大会上展出了其最新的27nm RAM颗粒，颗粒容量16Gb（2GB），核心面积168平方毫米，采用3层铜互连技术。而展出的芯片使用的是DDR接口，未来可以方便的更换其他接口。

由于只是用了27nm工艺制造，新的ReRAM在DieSize上相对于现在的NAND闪存并无优势，但在性能上，新的ReRAM却非常耀眼。根据镁光透露的消息，新的ReRAM可以承受10万次写入和百亿次读取；而更加难能可贵的是，ReRAM在目前就已经达到了900MB/s的读取速度和180MB/s的写入速度，读写延迟分别为2微秒和11.7微秒。在存储结构上，ReRAM可以在2个cell里存储3个bit，这一点介于目前的SLC和MLC之间。

由于未来的闪存标准还没有最终确定，因此，发力研究下一代闪存的企业和候选技术并不只此一家。

另一家名为Crossbar的新型科技公司正在研究一种名为RRAM的非易失性存储。虽然Crossbar并没有给出他们技术的具体性能，不过公司宣称其RRAM的擦写次数可以达到亿次级，并且可以在300摄氏度以下正常工作。而与目前NAND闪存工艺越高寿命越短行程对比的是，Crossbar的RRAM技术在现有技术演进路径下至少可以发展到4-5nm的水平。

当然，除了这些看似很遥远的技术，同样属于非易失性存储的相变内存（PCM）也是下一代闪存标准的有力竞争者。而且推崇这一技术的IBM已经开始着手研究如何利用相变内存替代现有NAND闪存的方案了。相对于现有NAND闪存，相变内存的擦写次数可以达到百万次级别，并且在速度上交传统闪存有上百倍的提升。当然更重要的是，镁光等厂商已经开始量产地规格的相变内存芯片。并且业界也已经有一些采用相变内存的实际产品。

随着NAND闪存在工艺进步下逐渐达到寿命临界点，新的闪存技术正在不断涌现。而这些技术最大的目标就是要在提高速度和寿命的前提下，继续推动摩尔定律向前发展，并为未来制程演进做好准备。相信2015年更多新类型的非易失性存储新品将出现在市场上和实验室里。

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