串行 nand flash 接口如何选择嵌入式产品中的存储器类型？

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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如何选择嵌入式产品中的存储器类型？

摘要：Flash存储器是一种非易失性内存，其作为数据、系统存储的关键介质，在嵌入式系统中扮演着重要角色。常见的Flash有NAND Flash 、Nor Flash、eMMC等，本文将简单介绍不同Flash的区别及应用场景。

图1 HD6Q-CORE ARM核心板板载Flash

1. NAND Flash

按照接口区分，NAND Flash分为串行和并行两种，串行就是每次传输1 bit，并行就是每次传输多位。下图的并行Flash采用8bit的数据位宽，并配合RE/WE等读写信号进行数据的读写。串行Flash管脚较少，多采用SPI或者QSPI接口进行通信。一般来讲，并行Flash的容量要高于串行Flash。

图2 并行NAND Flash接口

图3 串行NAND Flash接口

按照颗粒密度区分，并行NAND Flash可以分为SLC、MLC、TLC、QLC等，其中SLC、MLC颗粒较为常用。

图4 SLC、MLC、TLC、QLC

第一代SLC（Single-Level Cell）每单元可存储1比特数据(1bit/cell)，性能好、寿命长，可经受10万次编程/擦写循环，但容量低、成本高，市场上用的比较少；第二代MLC（Multi-Level Cell）每单元可存储2比特数据(2bits/cell)，性能、寿命、容量、成各方面比较均衡，可经受1万次编程/擦写循环，目前主流的核心板厂商大都配置该类型的存储；第三代TLC（Trinary-Level Cell）每单元可存储3比特数据(3bits/cell)，性能、寿命变差，只能经受3千次编程/擦写循环，但是容量可以做得更大，成本也可以更低，大多数固态硬盘的选择；第四代QLC（Quad-Level Cell）每单元可存储4比特数据(4bits/cell)，性能、寿命进一步变差，只能经受1000次编程/擦写循环，但是容量更容易提升，成本也继续降低。

2.Nor Flash

NOR Flash是一种非易失闪存技术，是Intel在1988年创建。是市场上两种主要的非易失闪存技术之一。按照接口区分, Nor Flash也可以分为并行和串行两种。由于并行Nor Flash易存在兼容性问题，现已逐渐淘汰，目前常用的Nor Flash通常指串行Flash，即SPI Flash，其接口定义和图3一致。

与NAND Flash相比，Nor Flash容量较低，且读写速度和擦写速度较慢。不同于NAND Flash的是，NOR Flash支持Execute ON Chip，程序可以直接在Flash片内执行，因此很适合作为嵌入式系统中的程序启动介质。

表1 NAND Flash &Nor Flash 存储介质对比表

eMMC

eMMC 本质上还是Nand flash ，数据接口支持1bit、4bit和8bit三种。eMMC=Nand flash +闪存控制芯片+标准接口封装，其内部集成的闪存控制器具有读写协议、擦写均衡、坏块管理、ECC校验、电源管理、时钟管理、数据存取等功能，极大降低了Nand-flash的使用难度。

图5 eMMC架构

在嵌入式系统中，Flash除了用来存放数据，还有一个重要的功能就是存放uboot启动程序。一般来讲，系统可以直接从Nor Flash启动，而不能直接从NAND Flash启动。系统要从NAND Flash启动，则需要先将NAND Flash低4K的代码拷贝到CPU内部的SRAM中，然后从SRAM中驱动。再将FLASH剩下的代码拷贝到SDRAM中，从SDRAM开始执行main函数，启动流程如下图所示。

图6 NAND Flash启动方式

一般来讲，当主控制所需搭配的存储容量较低时（如256M、512M），通常选择Nand flash。当主控制所需搭配的存储容量较高时（如4GB、8GB甚至32GB），选择eMMC将更具性价比。

Nand Flash主要厂商及其产品

根据2020年二季度Nand Flash市场排名，三星占据31%，处于领先地位，紧跟其后的是铠侠，占比达17%。排名第三、第四、第五、分别是西数、美光、SK海力士。以下是DRAMeXchange统计数据：

电子发烧友对目前市场主要的Nand Flash厂商及其产品进行梳理，以下是具体内容：

三星

1、三星SSD 980 PRO

三星电子推出首款消费类PCIe 4.0 NVMe SSD：三星SSD 980 PRO， 980 PRO采用三星1XX层 TLC NAND闪存，以及容量分别为512MB和1GB的DRAM缓存，通过内部设计，可充分发挥PCIe Gen4的潜力。数据显示，三星SSD 980 PRO顺序读取速度最高可达7000MB/s，顺序写入速度最高可达5000MB/s。

2、870 QVO SATA SSD

三星推出了其第二代QLC闪存驱动器870 QVO SATA SSD， 870 QVO分别提供同类最佳的顺序读取和写入速度，分别高达560 MB/s和530 MB/s，借助该驱动器的Intelligent TurboWrite技术，它可以使用大型可变SLC缓冲器保持最高性能

3、eUFS 3.1

三星电子宣布已经开始批量生产用于智能手机的512GB eUFS 3.1，其写入速度为512GB eUFS 3.0的三倍，打破了智能手机存储中1GB/s的阈值。

三星eUFS 3.1连续写入速度超过1,200MB/s，是基于SATA SSD (540MB/s)的两倍以上，是UHS-I microSD卡（90MB/s）的十倍以上。

KIOXIA

1、第六代企业SAS SSD

随着其第六代企业SAS SSD系列的推出，专为现代IT基础设施设计的24G SAS将其上一代的数据吞吐率提高了一倍，同时搭载了新功能和增强功能，以达到新的应用性能水平。

PM6系列采用铠侠的96层BiCS FLASH 3D TLC闪存，可提供业界领先的高达4,300MB/s（4,101MiB/s）的SAS SSD顺序读取性能，比上一代提高了2倍以上。铠侠的新驱动器容量高达30.72TB，使其成为业界容量最高的2.5英寸SAS SSD。

2、BiCS FLASH

铠侠开发具有112层垂直堆叠结构的第五代BiCS FLASH™三维(3D)闪存。新产品具有512 Gb（64千兆字节）容量并采用TLC技术。

铠侠创新的112层堆叠工艺技术与先进的电路和制造工艺技术相结合，与96层堆叠工艺相比，将存储单元阵列密度提高约20%。因此，每片硅晶圆可以制造的存储容量更高，从而也降低了每位的成本（Bit-cost）。此外，它将接口速度提高50%，并提供更高的写性能和更短的读取延迟。

西部数据

1、SN550 NVMe SSD

Western Digital设计的控件和固件搭配最新的 3D NAND，可始终如一地提供优化的性能。

2、iNAND MC EU521

西部数据宣布率先基于UFS 3.1规范协议推出iNAND MC EU521嵌入式闪存产品，新增多项功能，并进一步提高速度、容量、降低功耗，再加上11.5x13x1.0mm小型封装尺寸。西部数据表示，iNAND MC EU521将在3月份上市，采用主流的96层3D NAND，并充分利用UFS 3.1高带宽以及SLC NAND缓存，可提供最高800MB/s的顺序写入速度。

美光

美光的下一代 M500 固态硬盘采用 Micron 20 nm MLC NAND 闪存、SATA 6 Gb/s 接口，具有行业标准 512 字节分区支持功能、热插拔功能以及功耗极低的器件休眠模式，并满足 ATA-8 ACS2 指令集规范要求。

SK海力士

Intel 突然宣布以 90 亿美元（约 601 亿）的价格将旗下的 NAND 闪存业务出售给了 SK 海力士，后者有可能成长为新的全球第二大闪存公司，SK海力士推出Gold P31系列SSD新品，是全球首个基于128层NAND闪存的消费者SSD。Gold P31采用的是128层TLC，PCIe NVMe Gen3接口，读取速度最高达3500MB/s，写入速度最高达3200MB/s，以满足长时间游戏的游戏玩家以及对性能和稳定性有较高要求的专业创作者和设计师。

英特尔

Intel基于144层3D QLC闪存Arbordale Plus，容量将比Intel目前的96层产品提升50%。

长江存储

128层QLC 3D NAND闪存芯片X2-6070研发成功，并已在多家控制器厂商SSD等终端存储产品上通过验证。

长江存储表示，X2-6070是业内首款128层QLC规格的3D NAND闪存，拥有业内已知型号产品中最高单位面积存储密度，最高I/O传输速度和最高单颗NAND闪存芯片容量。

每颗X2-6070 QLC闪存芯片共提供1.33Tb的存储容量。而在I/O读写性能方面，X2-6070及X2-9060均可在1.2V Vccq电压下实现1.6Gbps（Gigabits/s千兆位/秒）的数据传输速率。

旺宏

Macronix在2020年下半年生产48层3D NAND存储器。公司计划在2021年和2022年分别推出96层3D NAND和192层3D NAND。目前，该公司用于制造NAND的最先进技术是自2019年2月开始使用的19纳米平面技术，这款NAND Flash的第一个客户将是任天堂。

华邦

1、QspiNAND Flash

华邦提供了一系列相容于SPI NOR接口的QspiNAND产品，华邦的QspiNAND系列产品内建了ECC的功能，而且也能提供了连续好”块”的QspiNAND，这些都能让使用者并不需要额外的控制器。

2、OctalNAND Flash

全球首款采用x8 Octal接口的NAND Flash—华邦OctalNAND Flash产品可望提供车用电子与工业制造商高容量的储存内存产品，华邦电子首款采用全新接口的NAND产品，1Gb W35N01JW，连续读取速度最高可达每秒240MB， W35N-JW OctalNAND Flash采用华邦通过验证的46nm SLC NAND制程，提供卓越的数据完整性，且数据保存期更可达10年以上。此产品写入／抹除次数(Program/Erase Cycle)可达10万次以上，可符合关键任务型车用与工业应用所需的高耐用性与高可靠性。

兆易创新

GD5F4GM5系列采用串行SPI接口，引脚少、封装尺寸小，相比于上一代NAND产品，大大提升了读写速度，最高时钟频率达到120MHz，数据吞吐量可达480Mbit/s，支持1.8V/3.3V供电电压，能够满足客户对不同供电电压的需求；同时提供WSON8、TFBGA24等多种封装选择。

北京紫光存储

北京紫光存储Raw NAND颗粒是符合业界标准的闪存产品，适用于各类固态存储解决方案。Raw NAND颗粒需要搭配闪存控制器使用。全系采用业界领先的3D TLC闪存芯片。支持ONFI 4.0，最高读写支持667MT/s。采用业界领先的3D TLC闪存芯片，相比2D闪存芯片单位面积下容量大幅提升。

北京君正

公司Flash产品线包括了目前全球主流的NOR FLASH存储芯片和NAND FLASH存储芯片，其中NAND FLASH存储芯片主攻1G-4G大容量规格。

ISSI 系一家原纳斯达克上市公司，于 2015年末被北京矽成以7.8亿美元私有化收购，之后北京君完成对北京矽成100%股权收购。ISSI Introduces SLC NAND高性能4Gb SLC NAND主要用于嵌入式市场，能够满足工业、医疗，主干通讯和车规等级产品的要求，具备在极端环境下稳定工作、节能降耗等特点。

东芯

东芯串行NAND Flash产品为单颗粒芯片设计的串行通信方案，引脚少和封装尺寸小，且在同一颗粒上集成了存储阵列和控制器，带有内部ECC模块。使其在满足数据传输效率的同时，既节约了空间，提升了稳定性，也让其在成本上也极具竞争力，且提升了性价比。产品分为3.3V/1.8V两种电压，不仅能满足常规对功耗不敏感的有源器件，也使其在目前日益普及的移动互联网及物联网设备中，有足够的发挥空间。产品拥有多种封装，可更灵活的满足很多应用场景，比如常规的光猫，路由器，网络摄像监控，物联网及智能音箱等。

如何选择嵌入式产品中的存储器类型？

1. NAND Flash

2.Nor Flash

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