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nand flash的plane 你了解FLASH吗？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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你了解FLASH吗？

@人人能科普，处处有新知FLASH的发展历史FLASH闪存是是一种非易失性（ Non-Volatile ）内存，其名字有闪耀，闪烁的意思，也体现了其读写快速的特点，“读写过程一闪而过”。

首先简单介绍一下FLASH的发展过程。

1.在计算机的发展初期,BIOS都存放在ROM(Read Only Memory,只读存储器)中。ROM内部的资料是在ROM的制造工序中,在工厂里用特殊的方法被烧录进去的,其中的内容只能读不能改,一旦烧录进去,就不能再作任何修改。并且由于ROM是在生产线上生产的,成本高,一般只用在大批量应用的场合。

2.由于ROM制造和升级的不便,后来人们发明了PROM(Programmable ROM,可编程ROM)。用户可以用专用的编程器将自己的资料写入,但是这种机会只有一次,一旦写入后也无法修改。并且其成本比ROM还高,而且写入资料的速度比ROM的速度要慢,一般只适用于少量需求的场合或是ROM量产前的验证。

3.EPROM(Erasable Programmable ROM,可擦除可编程ROM)芯片可重复擦除和写入,解决了ROM、PROM芯片只能写入一次的弊端。EPROM芯片可以重复的擦除和写入，但是EPROM的擦除和写入都需要专用的擦除器和编程器。

4.后来针对EPROM擦除写入必须使用专用设备的弊端，出现了EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM,电可擦除可编程ROM)。EEPROM的擦除不需要借助于其它设备,它是以电子信号来修改其内容的,而且是以Byte为最小修改单位,不必将资料全部洗掉才能写入,彻底摆脱了EPROM Eraser和编程器的束缚。

5.FLASH ROM在使用上很类似EEPROM,因此,有些书籍上便把FLASH ROM作为EEPROM的一种，这可以称为广义EEPROM，而狭义的EEPROM则将二者分开。事实上,二者还是有差别的。FLASH ROM在擦除时,也要执行专用的刷新程序,但是在删除资料时,并非以Byte为基本单位,而是以Sector(又称Block)为最小单位,Sector的大小随厂商的不同而有所不同;只有在写入时,才以Byte为最小单位写入; FLASH ROM的存储容量普遍大于EEPROM。

FLASH的一些基本概念。

完整的FLASH芯片称为device一个device可能包含1个或多个die（LUN），die是具备完整flash芯片功能的模块，对比含1个die的device，区别在于没有封装的就是die，封装后的就是device。Die内可以含多个plane，每个plane具备独立的读、写、擦除功能，但多个plane可以公用控制逻辑寄存器，即在die内，可以同时对多个plane进行相同的操作Plane下最小擦除单元就是block，一个block包含多个page，所有串在同样BL下的page组成一个block。

Page是能够执行编程和读操作的最小单元，同一根WL上的所有数据即page，WL即page.Cell是Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit数据。

FLASH层次结构图

根据FLASH内部存储结构划分，可以将FLASH划分为两类：NOR型和NAND型。Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术，彻底改变了原先由EPROM（Erasable Programmable Read-Only-Memory电可编程序只读存储器）和EEPROM（电可擦只读存储器Electrically Erasable Programmable Read - Only Memory）一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，有更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。

从字面意思理解，NOR就是NOT OR，就是或非门，因为对于NOR型FLASH来说，只有当字线和位线都为低时，对应的存储单元的数据才是高。

NAND就是NOT AND，就是与非门，因为只有当字线都为高时，位线才为低。对于什么是位线，什么是字线，请看下面两张图，

WORD对应的就是字线，Bit对应的就是位线。

NOR FLASH结构示意

NAND FLASH结构示意

对于FLASH的操作一般分为读、写、擦除，NOR和NAND型FLASH的操作方式上也是有所差异的。NOR型FLASH，采用的是沟道热电子注入（CHE）的方式来写入数据，F-N隧穿效应来擦除数据。而NAND型FLASH，写入和擦除都是利用F-N隧穿效应来实现的。

F-N隧穿效应涉及到很高深的量子理论，不过这个效应很早就被人发现了，是在1957年被日本人发现的。

NOR FLASH和NAND FLASH由于它们不同的存储结构，也表现出了很多不同的特点：

1、容量和成本NOR FLASH在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益NAND FLASH 在大容量场合单位容量成本低

2、性能差别NOR 擦除和写入慢，读取快，可以直接运行代码，NAND 擦除和写入快，读取慢，需要将程序先读入RAM再执行。

3、接口差别nor flash 的接口和RAM一样，而 nand flash 是使用I/O口来串行地存取数据。

4、易用性nor flash可以直接地使用基于 nor flash 地内存，可以直接在上面运行代码而使用 nand flash需要先写入驱动程序，还要将程序先读入RAM再执行。

5、耐用性在nand flash内存中的每个块的最大擦除写次数是100万次，而nor flash 的擦写次数是10万次。

6、主要用途两者的差异也就决定了它们的使用范围的不同，在BIOS、穿戴设备、汽车电子等不需要频繁擦除写入，并且容量要求低的场合，多使用NOR FLASH。而在人们常用的U盘、一些工业设备如PLC、HMI等，则一般使用NAND FLASH。综上，可以将二者的差异汇总为如下表格。

NAND Flash是如何生产出来的？

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NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质，基于浮栅(Floating Gate)晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，电荷被储存在浮栅中，它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。关于NAND Flash技术基本原理之前有过讲解，大家可以参考文章闪存技术最全面解析。今天主要讨论下NAND Flash生产过程、架构 和关键指标 。

NAND Flash是从原始的硅材料加工出来的，硅材料被加工成晶圆(Wafer) ，一片晶圆上可以做出几百颗NAND FLASH芯片。芯片未封装前的晶粒成为Die，它是从Wafer上用激光切割而成的小片，每个Die就是一个独立的功能芯片，它由无数个晶体管电路组成，但最终可被作为一个单位封装起来成为闪存颗粒芯片。下面是NAND Flash芯片的详细加工过程。

NAND Flash的容量结构从大到小可以分为Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell 。一个Device有若干个Die(或者叫LUN)，每个Die有若干个Plane，每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应着一个Wordline。

Die/LUN是接收和执行FLASH命令的基本单元。不同的LUN可以同时接收和执行不同的命令。但在一个LUN当中，一次只能执行一个命令，不能对其中的某个Page写的同时又对其他Page进行读访问。下面详解介绍下这些结构单元和之间的联系。

Device就是指单片NAND Flash，对外提供Package封装的芯片，通常包含1个或多个Target；

Target拥有独立片选的单元，可以单独寻址，通常包含1或多个LUN；LUN也就是Die，能够独立封装的最新物理单元，通常包含多个plane。

Plane拥有独立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K个奇数Block或偶数Block；

Block是能够执行擦除操作的最小单元，通常由多个Page组成；Page是能够执行编程和读操作的最小单元，通常大小为4KB/8KB/16KB/32KB等。

Cell是Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit数据，主要可颗粒类型。

下图是一个FLASH Block的组织架构，每个Cell的漏极对应BL(Bitline) ，栅极对应WL(Wordline) ，源极都连在一起。每个Page对应着一个Wordline，通过Wordline加不同电压和不同时间长度进行各种操作。

一个WordLine对应着一个或若干个Page，对SLC来说一个WordLine对应一个Page；而对MLC来说则对应2个Page(Lower Page 和Upper Page)；Page的大小与WordLine上存储单元(Cell)数量对应。

Data Retention(数据保存力) 是用于衡量写入NAND Flash的数据能够不失真保时间的可靠性指标，一般定义为在一定的温度条件下，数据在使用ECC纠错之后不失真保存在NAND Flash中的时间；影响Data Retention 最大的两个因素是擦写次数和存储温度。通常情况下企业级SSD盘的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218标准，即40℃室温下，100%的PE Cycle之后，在下电的情况Data Retention时间要求达到3个月。

NAND Flash写入前必须擦除， Block擦除1次后再写入1次称为1次PE Cycle ，Endurance (耐久性) 用于衡量NAND Flash的擦写寿命的可靠性指标；Endurance指的是在一定的测试条件下NAND Flash能够反复擦写数据的能力，即对应NAND Flash的PE (Program/Erase ) Cycle。

Bit Error Rate(BER) 指由于NAND Flash颗粒概率发生Bit位翻转导致的错误，其中，RBER (Raw Bit Error Rate) 指没有经过ECC纠错时出现一个Bit位发生错误的几率，RBER也是衡量NAND品质的一项指标。RBER是NAND自身品质的一个特性，随着PE次数的增加会变差，出错趋势呈指数分布，其主要原因是擦写造成了浮栅氧化层的磨损。

UBER(Uncorrectable Bit Error Rate) 指发生不可纠正ECC错误的几率，即一个纠错单元Codeword内发生bit位翻转的位数超出ECC算法可纠能力范围的几率。

DWPD(Diskful Writes Per Day) 指每日写入量。SSD的成本($/GB)随DWPD增加会变高，未来SSD的趋势预测读密集型当前已占50%，未来的占比会逐渐变大。