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

杀死NAND Flash，替代DRAM；3D Xpoint有这个能力吗？

来源：半导体行业观察翻译自computerworld，作者Lucas Mearian ，谢谢。

在3D NAND Flash大行其道的21世纪，当Intel和美光在2015年首次介绍3D Xpoint的时候，市场掀起了轩然大波。据当时的介绍，3D Xpoint的会比NAND Flash快1000倍，且寿命也会比其长1000倍。

但实际上，这样的性能表现只能出现在PPT里。根据实际的测试，3D Xpoint只是比NAND快10倍，且在读入新数据的时候，需要先擦除老数据。

但是这个新兴的固态存储器将会在数据中心找到他的位置，因为他的价格只有DRAM的一半，只主要是因为它会和传统的存储技术搭配来提升性能。但是相比于NAND Flash，3D Xpoint的价格还是会贵很多。

随着传输数据、云计算、数据分析等多样需求的增长，更高性能的存储也成为厂商的目标。这就给3D Xpoint带来了新的机会。

下面，我们来看一下3D Xpoint。

“毫无疑问，这项技术会给数据中心带来重要的影响，但是在PC端的影响则没有那么大”，Gartner的半导体和NAND Flash VP Joseph Unsworth表示。“无论是超大规模数据中心、云服务供应商，或者是传统的企业存储客户，他们对这项技术都会感兴趣”，他补充说。

但是3D Xpoint供应商并不能说服客户用其去替代所有的DRAM，即使使用这项新技术能够帮忙降低成本。主要因为在NAND Flash的SSD中，其性能遭到了质疑。

什么是3D Xpoint？

相信大家看过很多这个新技术的介绍。简单来说，这就是一个新型的非易失性固态存储，拥有比NAND Flash更强悍的性能，以及更长久的寿命。而从价格来说，他是处于DRAM和NAND Flash之间的。

根据Gartner的数据显示，现在DRAM的售价基本是每gigabyte 5美金，而NAND的价格则是25美分每gigabyte。3D Xpoint的大批量采购价格则会在每gigabyte 2.4美金这个区间。按目前看来，到2021年，3D Xpoint的售价也会比NAND Flash贵许多。

但是其实无论是Intel或者美光，都没有谈过太多关于这项新技术的细节，他们只说这是一项基于电子存储的技术，和Flash存储和DRAM一样，也没有用到晶体管。他们也声称这并不是ReRAM或者忆阻器。这两者被认为是NAND未来的最大挑战者。

根据专家用排除法分析，可以得到3D Xpoint应该是相变存储（PCM）技术，和美光先前开发过的一种技术差不多，而性能也相近。

PCM 作为新一代存储技术,利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转换的相变来储存数据,其芯片目前广泛使用的核心材料是GST(由锗锑碲按比例混合而成)。这和美光Russ Meyer之前说的不谋而合——“存储单元本身是在两个不同状态之间简单变动的”。

在PCM中，非晶态的高阻率是保存为0，低阻率的静态则保存为1.

3D Xpoint的架构和显微镜下的窗格子类似。而那些支持则是由硫族化合物组成，且搭配了开关，能够允许数据的读写。

Intel非易失性存储事业部GM Rob Crook表示，3D Xpoint并不像DRAM那样，把数据存储在电容的电子里，也不像NAND那样把数据存储在浮动栅的电子阱里。它使用一种物理材料，这种材料本身能够改变0或1状态，然后存储数据。但是他们需要将其尺寸变小，以适合更多应用。

为什么3D Xpoint能够吸引如此多的关注？当然是因为他在PCIe/NVMe接口连接的时候，拥有比NAND Flash高十倍的性能，且使用时间会长1000倍。这也就意味着持续读写次循环超过100万次，也就意味着，这个存储一旦装上，在不坏的情况下能永久使用。与之对比，现在的NAND Flash只有3000到10000的持续读写循环。如果带有损耗平衡和误差纠正软件，这个循环能提升，但和100万比，这还是小巫见大巫。

3D Xpoint还有比较低的延迟。与NAND Flash相比，这个数据是1000倍，与DRAM相比，则是十倍。明显看出，在高速读取的应用中，这回事更明智的选择。S

这种优势让3D Xpoint能够降低数据中心存储体系的落差（包括处理器上的SRAM，DRAM，NAND FLAHS，HHD、磁带或光盘）。这个还能够弥补易失性的DRAM和非易失性NAND Flash SSD 之间的差距。

也许这是数据中心的未来。Intel NVM方案部门主管James Myers表示，他们的3D Xpoint产品Optane能够用来执行有限的数据集或者实时存储和升级数据。

相反地，传统的NAND Flash 只能批次地处理存储数据，利用列式数据库系统分析。这就需要非常多的读写操作。

“不会有很多人为更高的连续吞吐量支付额外的钱，因为很多的分析可以在凌晨2点到5点完成，因为哪个时段不会有很多的业务操作”，Myers表示。

Intel的首个3D Xpoint SSD P4800x每秒能够执行550000次的读写操作（IOPS），与之对比，Intel最顶尖的NAND Flash SSD的IOPS只能达到400000。

和DRAM一样，3D Xpoint可以按字节寻址，这就意味着每一个存储单元有一个不同的位置，这不像分区的NAND，在应用在为数据搜索的时候，不允许“超车”。

“这个不是Flash，也不是DRAM， 3D Xpoint是一个介乎这两者之间的技术，而生态系统的支持对于这项技术的拓展极为重要。”Unsworth说。目前我们还没看到任何一个飞翼式的DIMM被装配，因此这会是一个很大的挖掘空间。

3D Xpoint什么时候可以准备好？

Intel已经开拓出了一个不同于美光的3D Xpoint路线。按照他们的说法，其Optane品牌适合于数据中心和桌面PC。美光则表示其Quantx SSD非常适合于数据中心，他们也或多或少提到，其产品也会适合消费级别的SSD。

在2015年，Intel小批量生产了使用IM Flash技术的3D Xpoint Wafer。到了去年，Intel和Micron则投资了做立在犹他州Lehi的Fab，大批量生产3D Xpoint产品。

上个月，Intel开始出货他的手系列新品：专为PC打造的 Intel Optane 存储加速模块（16GB/MSRP $44和 32GB/$77），另外还有数据中心级别的375GB Intel Optane SSD DC P4800X扩展卡，售价1520美金。DC P4800X使用的是PCIe NVMe 3.0×4（四路）接口。

Optane 存储PC加速器模组能够被应用到在一个七代Intel Kaby Lake平台上，加速各种SATA连接的存储设备。在存储中加上Optane模组就像在桌面PC或者笔记本上加了某种类型的缓存。

DC P4800X是首个为数据中心生产的3D Xpoint SSD，Intel方面表示，后续会推出更多此类应用，包括一个企业泣别的Optane SSD，他的容量为750GB。Intel方面表示，这会在今年第二季度到来。而1.5TB的SSD则会在今年下半年推出。

这些SSD同样以模组的形式存在，并适用于PCIe/NVMe和U.2插槽，这就意味着他们适用于使用AMD 32核Naples 处理器平台的工作站和服务器。

Intel还计划明年推出他们DRAM类型的DIMM模组Optane。而美光方面则打算在20147年下半年推出其QuantX产品。

3D Xpoint会对电脑性能造成什么影响？

Intel表示，其Optane将PC的启动时间减少了一半，并将整体系统性能增加了28%，加载游戏速度也快了65%。

DC P4800在随机读写环境下的表现也非常出色，因此我们可以用它来增强服务器的DRAM。在随机读写的状态下，Optane会自动启动，这在高端PC和服务器中非常常见。Optane的随机写速度比传统的SSD快10倍，而读速度也有三倍左右的提升。

除此之外，新的DC P4800 SSD 的读写延迟低于10微秒，这在NAND Flash的SSD中是不可能任务，后者的延迟在30到100ms这个范围。而DC 3700的平均延迟则有20ms，这是DC P4800的两倍。P4800X的读写延迟接近相同，这不同于Flash存储的SSD。

3D Xpoint会“杀死”NAND Flash吗？

或者这样的结局不会产生，Intel和美光双方都认为3D Xpoint与NAND是互补的。他的出现主要是弥补NAND和DRAM的差距。然而，随着新3D Xpoint的普及，SSD的经济规模会增长，分析师们认为它会挑战现存的存储技术，不是指NAND，而是DRAM。

Gartner预测，到2018年，3D Xpoint 会在数据中心中占领上风。届时它会吸引很多关键客户的目光。这不仅仅限于服务器、存储，超算中心或者云计算，软件客户也是他们的潜在关注者，Unsworth说。一旦你能够在数据库分析速度和成本上找到一个平衡，那么就会吸引更多的客户执行实时的数据分析处理。

因此我认为这是一个革命性的技术，他补充说。但这个最终被广泛采纳需要一段时间，数据中心生态链需要一点时间去接纳这个新存储技术，芯片组和第三方应用的支持也需要时间去兼容。

另外，现在只有Intel和美光两家供应商提供3D Xpoint，从长期看来，这个技术应该也会授权给其他厂商。

再者，包括ReRAM和忆阻器在内的竞争技术也会在未来某一天到来，但他们当中没有哪一个可以满足高存储和大批量出货的需求。

去年秋天，三星介绍了其新的Z-NAND存储，这是3D Xpoint的一个明显竞争者。这个即将发布的Z-NAND SSD延迟会较3D NAND Flahs降低四分之三，而顺序读速度也会快1.6倍，三星计划在今年推出其Z-NAND。

那么，这意味着NAND的“死亡”么？我认为近期内都不可能。

随着挑战3D Xpoint的非易失性存储技术逐渐出现，传统的NAND Flahs依然有很长的路要走，直到2025年，这个技术都是安然无忧的。

而最新版本的3D或者垂直NAND堆栈已经到了64层，这比传统的平面NAND的密度有了很大提升。制造们打算在明年将其扩展到96层，并打算在未来几年将其扩展到128层。

初次之外，现在的的3bit/ cell TLC NAND有望转向4bit/cell 的 QLC 技术，这样能够增加密度，同时降低生产成本。

这是一个很有弹性的产业，因为在世界范围内有很多很大的供应商。同时，中国也会在当中充当非常重要的角色。Unsworth认为，如果NAND在几年内会死亡，他们就不会花费数百亿美元进入这个NAND Flaash产业。我看到了3D NAND慢下来了，但他们依然没碰到天花板，他补充说。

今天是《半导体行业观察》为您分享的第1274期内容，欢迎关注。

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