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

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

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