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nand 和 NVM关系外行解说-NVM Non-Volatile Memory

发布时间 : 2024-10-11

作者 : 小编

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外行解说-NVM Non-Volatile Memory

感谢当年的Jimmy，花了一个月时间让我学会了Flash，虽然没做过Flash但是这个入门足以让我很精通，时至今日我依然能够靠我的笔记写完所有的东西。

存储器(Memory)，是现代电子系统中用于保存二进制数据信息的记忆设备，它根据控制器指定的位置存入和取出信息。正是有了存储器，我们的计算机和电子设备才有了记忆功能，比如每个身份证才能对应不同的人，每个sim卡对应一个手机号等等。按照用途分我们的存储器分为两类，一类是用于电路在工作过程中存储临时信息，比如地址编码或者临时堆栈等，只能有电才工作断电就复位了，这类存储器叫做动态随机存储器(RAM: Random Access Memory)，比如DRAM、SRAM(后面再专题讲SRAM和DRAM)。而另外一种是用来永久存储数据信息的，即使断电还依旧保存着数据，叫做只读存储器(ROM: Read Only Memory)，比如EEPROM, OTP/MTP、Flash。其中RAM的SRAM和DRAM都是由Intel在1970年发明的，而EPROM和EEPROM也是Intel分别于1971年和1979年发明的，直到1984年Toshiba发明了flash才带动了闪存的巨大发展。

随着物联网和大数据趋势的来临，数据存储必将是兵家必争之地。紫光收购美光失败，转战收购西部数据(WD)，再由西部数据曲线收购Sandisk进军NAND Flash。Intel大连Fab68厂由于PC产业的巨大衰退不得不斥资55亿美元改造成NAND Flash厂。可想而知未来NAND Flash存储器的重要性。单纯从产值角度讲存储器和微处理器占整个半导体产业的22%和19%，可以说是整个半导体产业的基石，要想在半导体行业混得好，就抢这两个吧~当然我们今天学习的重点就是非挥发性存储器(Non-Volatile-Memory)，也就是断电可以继续存储的存储器。

很多时候大家一讲到NVM，都会想到Flash。但是这两者是不一样的，Flash只是NVM的一种。NVM是指断电数据不会消失的意思，所以ROM (EPROM/EEPROM)、Flash、FeRAM/MRAM(铁电/磁电)都算。我十年前做PIE的时候第一个产品是0.5um mask ROM，那就是最古老的NVM了 (当然fuse也可以算是一种OTP的NVM)，它的实现过程就是通过一张ROM code光罩选择性打NMOS Array的implant实现每个bit的NMOS是ON还是OFF来实现“0”和“1”，这就是BANK后面用不同光罩实现编程的，比较简单。

1、浮栅技术(FG: Floating Gate)

抛开上面讲的ROM Code implant，还有FeRAM/MRAM也不是我们讨论的重点。其他的所有NVM的精髓都有Floating Gate (浮栅) ，它和普通的MOSFET差异在于它是双层Poly，上面的Poly是Control Gate (控制栅) ，通过对浮栅充电(Charge)并且浮栅被包裹在绝缘体(oxide)里面而实现“0”和“1”的存储，再细分包括EPROM/OTP(电编程UV光擦除)，EEPROM/MTP(电编程电擦除)，Flash(电编程电擦除)。

话说这个浮栅(FG: Floating Gate)和上面的控制栅(CG: Control Gate)一起，当控制栅加上电压Vg之后，控制栅会通过下面的浮栅产生耦合作用使得沟道开启，产生热载流子通过浮栅下面的Tunnel oxide隧穿进入浮栅从而达到Program的目的。而这个耦合的要求是尽可能耦合的越高越容易开启，简单点理解就是电容CG与FG之间的介质层(ONO)电容越大越容易让控制栅的电压转嫁给浮栅从而间接开启沟道，这就是耦合作用。而这个耦合是由控制栅与浮栅之间的电容以及浮栅与沟道之间的栅氧的比例决定的，这就是传说中的Gate Coupling Ratio (GCR)。实际上这个GCR测试是靠浮栅MOSFET的Vt以及flash cell的Vt的比值来计算出来的。

2、浮栅充电(Program)/放电(Erase)机理

如果要实现数据的存储，也就是要对浮栅充电或放电实现program和Erase的过程，最终完成“0”和“1”的写入并存储。但是如何实现这个浮栅电子的写入和擦除？我们姑且称之为电荷转移(Charge Transfer)，书面定义为使得电荷穿过介质层(如OX或者ONO)进入浮栅或者从浮栅里面擦除。

一般情况下这个电荷转移有四种方式：CHEI、SSI、FN、BTBT。其实这些原理都是利用了MOSFET的漏电，在Gate端通过电压控制使其主动进入到浮栅里面去。是不是很有意思？让我们逐个来学习一下。

1) CHEI (Channel Hot Electron Injection)： 我们在常规MOSFET里面，HCI injection容易进入GOX形成Gate Leak，当然在浮栅存储器里面就被trap在浮栅里面program了。但是在浮栅存储器里面它可是program好不好的关键。曾听说施敏教授发明这个技术的时候灵感来自于咖啡撒泼了，想到如何让热载流子变废为宝？

为了能够有效programing，必须Gate高压(8~12V)感应到浮栅上(4~6V)，Drain端4~5V。0.5us~10us/cell，200~500uA/cell。

2) SSI (Source Side Injection)： 这就是我们的1.5T Split-Gate，在source端放一个Select-MOS，而这个select-MOS的drain就是cell的source，这样在select-MOS的drain端产生的Hot-Carrier就可以从cell的source端注入到浮栅里面去。而这个select-MOS的gate就是select-gate，可以把它与control gate合在一起形成split gate。这样的bit cell面积比2T的面积小，更容易做high density。0.5us~10us/cell，1~5uA/cell，优势与CHEI相比如何？

3) FN Tunneling： 主要利用介质氧化层的FN Tunnel特性将电子program和Erase到浮栅里面去。(FN Tunnel的原理请参阅：http://ic-garden.cn/?p=680)。100us~100ms/cell，10-5~10-3uA/cell。看你是要超低电荷还是需要速度了？

举个例子，1.5T的Split-Gate里面的Erase就是靠Poly-Poly的tips的电场让浮栅电荷通过FN tunneling释放掉。

4) Band-to-Band Tunneling： 这个主要是利用GIDL产生的带间隧穿漏电让它注入(inject)到浮栅里面去。GIDL原理：http://ic-garden.cn/?p=489。

总结，当完成Charge transfer之后，我们的Flash Cell的浮栅里面有了负电荷也就相当于我们的MOSFET栅极下面有负电荷了，所以我们的Vt会变高(因为需要Extra电压抵消它)，所以我们常说Program-High/Erase-Low就是这个意思。而它的I-V曲线和常规的MOSFET不太一样，主要是因为Program使得Vt变高，所以Isat变低，后面等充电完成后又逐渐回到饱和Isat。

3、Flash与EPROM/EEPROM的区别： 话说这flash和EPROM以及EEPROM都是floating gate器件，他们到底区别是什么？

EPROM是靠Hot-Electron program然后用UV Erase，EEPROM的program和Erase都是靠FN-Tunneling完成的。而Flash是靠Hot-Electron Program然后靠FN-Tunneling Erase掉。所以EPROM+EEPROM=Flash。

而对于EEPROM和Flash来讲，虽然Erase都是FN-Tunneling，但是EEPROM是按照by-bit Erase的，而Flash是common source的，所以是Block Erase的。

4、Flash Cell的分类：

1) ETOX (EPROM Tunnel OXide): 这是Intel于1988年的专利，也是业界使用的Flash Cell的标准。从bit-line看过去，它就是标准的double-poly cell，所以为了区分后面提到的Split-Gate，又称之为Stack-Gate Flash Cell。

2) Split Gate: 这就是上面提到的SSI (Source-Side Injection)在Flash Cell的Drain-Side串联一个Select-MOS结构，然后把select-Gate与cell的Control-Gate合在一起就是1.5T split-gate了。很多Embedded都是用这种cell。

5、NAND与NOR Flash的区别及应用： 上面才提过Flash Cell的种类，接下来如何把这些cell连接起来？串联还是并联？这就是我们讲的NAND还是NOR。所以NAND-Flash的字面意思就是逻辑运算里面的“AND”或者“与”，就是把每个bit都串联起来，一般是16bit在一条bit-line上一个挨一个最后一个contact连出去就行了。而NOR-Flash则是把每个bit并联起来，一个bit一个contact，然后把这些contact通过一条Word-Line连出去就行了。所以光这一条区别就知道哪个密度大了吧？这就是为什么存储器一定要用NAND-Flash了。

难道NOR就一无是处？答案肯定是错的！虽然NAND密度大，但是它毕竟是串联的，到最后一个bit肯定需要时间的，所以它的Access-Time比较长，另外根据基尔荷夫电压定律，串联电压肯定逐渐降低，为了保证最后一个bit能够program，所以必须higher program/erase电压。那NAND的缺点自然就是NOR的优点了，它是并联的自然它就可以随便选择任何一个bit了，而且Access时间短速度快，所以通常NOR主要用于非存储类的应用，比如电子设备的代码存储不需要太大的容量但是对速度要求高。而NAND主要用于存储设备如SSD硬盘。

6、Flash技术的Concern：

1) Charge Pump: Flash-Cell的工作需要完成3个动作，一个Program、一个Erase、一个Normal Read。除了Normal Read是器件的正常工作电压外，Program和Erase都需要高电压来完成，而这个高电压怎么来？就是需要Charge-Pump产生。而Charge-Pump的主要concern就是Leakage-Path，比如GIDL。

2) Disturb(串扰): 这个比较容易理解，高密度下的bit与bit之间总会产生干扰的，通常分为Gate-Disturb和Drain-Disturb，前者Gate-Disturb表示选了W/L不选B/L下，旁边的B/L串扰导致的该bit的被soft-program了。而后者的Drain-Disturb则表示选了B/L不选择W/L的时候，相邻的W/L带来的串扰导致该bit被soft-erase了。这个还比较容易通过CP测试screen掉。

3) Over Erase: 同一个bit-line上的cell，容易受相邻的program干扰导致soft-erase，所以在下一次正式Erase的时候它就Over-Erase了。所以Over-Erase随着cycling次数越多，它越严重，这可是可靠性问题啊。但主要发生在NOR flash上。

4) Cycling/Data-Retention： 我们知道所有的Program和Erase都是要电子来回穿过Oxide，这样的过程会damage我们的Oxide甚至软击穿，所以我们擦写的次数以及擦写次数多了后Oxide还能存储浮栅电荷多久？这就是长期可靠性问题。通常Cycling/Endurance的要求是Flash >20~100K次，而EEPROM要求100K~1M次。

还有SONOS技术(Si-ONO-Si)，它主要是single-poly靠ONO在两边的OD-edge program/erase电荷的，制程比较简单。至此，我所懂的Flash技术应该就到此了，欢迎补充讨论学习。

软件定义存储超越传统，可能吗？

新年伊始，各种预测展望如期而至，但真正精彩的并不多！

恰如《连线》（Wired）杂志创始主编凯文·凯利说的 “即将消灭你的人，今天还没有出现在你的敌人名单上。”可见预测是一件非常困难的事情。

如果是预测不过是凑个热闹，与之相比，判断则要严谨重要得多，因为它是决策的基础。以软件定义存储、全闪存阵列、传统存储为例，将如何选择呢？

这真是一个问题。

云厂商是怎么选的？

相比，软件定义存储，传统存储，有谁可以一统存储市场江湖吗？

我们期待这样的一个结果，从而减轻选型中的困惑？

关键就在于软件定义存储，

软件定义存储会成为存储市场的主流吗？

答案是肯定的！

在2018年存储与数据峰会上，浪潮存储给出了明确的答案。

浪潮存储的信心来自哪里呢？

当今市场的用户环境是一个多云状况，从边缘（Edge）到核心（数据中心）到云（Cloud），从私有云到公有云，到混合云，从一个公有云，到另一个公有云，这就是目前典型的用户应用的场景。根据IDC提供的数据，2018年云计算基础设施的规模为523亿美元，未来会按照10.8%复合年增长率(CAGR)增长。

如果说，传统行业企业用户的云化还在路上，没有那么清晰，不妨看看公有云厂商的选择。

在公有云的世界里，软件定义存储早已经一统江湖了！

公有云厂商为了应对“双11“的业务尖峰，唯一的办法就弹性扩容，短暂利用离线服务器的资源，但是传统的架构和资源配置，依靠直连存储DAS，特别是HDD的性能瓶颈，带来的问题显而易见。

存储计算分离，构建统一的软件定义存储集群，这就是问题的答案。

传统行业市场特殊吗？

既然如此，在传统行业企业市场，为什么这种现象没有发生呢？

就连“软件定义存储“本身，也是EMC等存储厂商最早提出的，当时的概念，强调软件、硬件的解耦，这也是软件定义的存储。

如此原因，还要从应用寻找答案。

从应用软件现状看，互联网企业以云原生应用为主，具有非常好的分布式设计，与软件定义存储珠联璧合。相比传统行业企业，应用以传统应用为主，不具有分布式特征，这样的应用可以构建在软件定义存储的基础上吗？可靠性，稳定性，安全性可以媲美传统磁盘阵列吗？

这也是传统行业企业所担心的，也是困扰他们的难题。

要么向互联网企业学习，对于传统应用进行云原生改造，显然这是一个艰巨而漫长的过程，此外，目前技术基础，人才积累也限制了云原生花改造的进程。

怎么办？

答案是：软件定义存储产品自身能力的提升。

目前市场上，软件定义存储产品众多，有开源的方案，也有自主研发的产品。其中，开源产品也有Ceph、SheepDog、MooseFS、Swift等多种方案选择。用户可以选用开源社区版本，也可以购买开源商业版本。自主研发产品方面，VMware、浪潮、华为、联想、新华三、紫光西部数据等也推出了自主研发的软件定义存储产品，IBM、DellEMC、NetApp、Ventara、Nutanix等也推出了相应的产品方案，此外，XSKY、SmartX、华云网际、凯翔、南京鹏云等国内创新企业也推出了各自的产品解决方案。

在如此众多方案中，如何进行选择？

对此，首先是技术的选择 ，亿级IOPS、百GB带宽、EB级海量存储空间、千亿亿文件管理等硬件指标是一个衡量的标准。

软件定义存储选型“硬标准”

如此优异的产品真的现实存在吗？

以亿级IOPS 为例，这不是简单的 SSD置换就能够实现的，涉及从介质到算法优化，从外部存储到内存计算的设计和优化。借助NVMe SSD、3D XPoint SSD等固态存储介质技术，通过全闪存软件定义存储内的介质更新，软件算法优化，大幅提高IOPS、时延和带宽。

在内存计算技术发展起来之后，在数据库设计、应用设计方面已经得到改变，固态存储介质技术的引入，也为内存计算增加了非易失的特性，让计算和存储的特性得到极大发挥。

为实现亿级IOPS，需要从底层NAND FLASH、NVM（Non-volatile memory，非易失存储器）、设备驱动，接口、操作系统、上层应用程序等软件协议栈进行全面的优化，从应用系统的层面，对于NVM存储介质管理、控制、质量保障、数据保护进行通盘的考虑，这是实现存储高性能的关键。

与此同时，一些大型的集群，IOPS并发性能要求达到了千万级。以AI为例，它是建立在大量原始数据基础上进行的，其原始数据经过标记后，会变成大量的小文件，规模通常达到百亿级 。

以Tesla V100GPU应用为例，每个GPU用5个容器读取文件数据，每秒钟约产生5000个OPS，每个OPS按三次操作计算，如果，每台设备有16个Tesla V100GPU， 16台设备搭建一个集群，总计256个GPU，对存储的IOPS性能要求，就达到了400万。

为了应对如此规模的应用访问，要求软件定义存储具有非常好的横向扩展(Scale-out)能力，以浪潮AS13000软件定义存储为例，不仅可以可扩展至5120个节点， 同时，通过数据自动修复和自动运维机制，完全可以适用于海量数据存储场景。浪潮AS13000软件定义存储，一套架构实现了文件、块、对象和大数据场景的数据服务。

从实践中来

以类似浪潮AS13000软件定义存储产品作为基础，对于行业企业用户来说，完全可以像互联网企业一样，快速实现业务的云化，借助软件定义存储的横向扩展能力，从而满足来自互联网的用户访问所带来的压力，缓解资源弹性不足的问题。

其中，软件定义存储的场景化能力 至关重要，也是解决传统行业/企业问题的关键。

以石油勘探 为例，借助对海量地震波数据的计算、解释和反演，从而模拟出勘测区域的地下构造，并作为钻井精确定位的依据，重要性和经济效益显而易见。如今，三维地震数据处理、解释一体化软件应用对存储空间初始需求就达到PB级别，项目平均数据增量达20TB，一般单文件大小也都在200GB左右。

以往， 54TB原始勘探数据通过4000个CPU计算集群、GB级带宽的存储集群处理需要50多天时间。为缩短处理时间，就需要优化数据存储和计算平台，通过增加GPU来进行加速，与此同时，要求软件定义存储进行了大量场景化调优。

浪潮软件定义存储AS13000通过去躁、振幅补偿等多项作业的优化配置，提升了批量作业的处理能力；通过目录分片 ，也就是在元数据服务端将目录分成同等地位的多个分片，由每个分片承载该目录下的不同子文件，如此，才能够通过提升并发能力，满足石油勘探大目录操作性能的需求。

如今，浪潮软件定义存储AS13000可支持单目录千万级文件、文件系统可达百亿级，百万文件浏览时间突破40s。

视频监控 智能交通领域，需要对海量图片进行查询，要系统能够满足“秒开”的能力。从技术上，涉及视频监控信息的海量存储，要求系统提供海量存储能力，以一个120个视频监控探头线程13.08小时所产生的数据，会涉及556万个文件的写入。在这个基础之上，还需要提供“秒开”查询的能力。

为了满足这样的需求，一方面需要利用多节点数据并发读写 的能力；另外还要考虑元数据服务集群技术,满足百亿级别文件的快速检索需求。在成都视频监控智能交通的项目中，以AS13000软件定义存储为基础，浪潮成功将图片检索用时，从十几秒降低到3秒以下，实现交通监控图片取证“秒开秒解”的创新需求。

从现有的行业实践来看，软件定义存储并不是一个放之四海而皆准的通用性技术，需要产品服务提供商能够根据应用场景的特点，对软件定义存储产品的技术功能加以组合，如此才能够满足产品的需要。

小结

毫无疑问，云计算是未来行业发展的趋势，而软件定义存储的特点与云计算无缝衔接 ，是行业用户未来的主要选择。随着云计算普及，软件定义存储超越传统存储是指日可待的事情。

应该说，云计算的着眼点并不是针对某个特点应用，云计算强调的是基础设施，讲求的是资源池化，追求系统的弹性，强调资源应用的效率。但是从单一业务应有的眼光看，除非采用公有云应用，否则云系统的经营、管理和服务，还是一个复杂的事情。如果不考虑效率的问题，只从单一应用的角度出发，传统存储解决方案其实拥有最佳的案例实践，仍然是用户最佳的现实选择。

从这个意义上说，传统存储市场仍然有所发展，但从长远的趋势看，让位于软件定义存储将是必然的趋势。

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