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nand flash tf 单片机上搭配的SPI NOR FLASH容量告急！扩容新选择

发布时间 : 2024-10-09

作者 : 小编

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单片机上搭配的SPI NOR FLASH容量告急！扩容新选择

　　*为便于理解并省去容量单位转换的麻烦，以下容量单位均使用Byte单位（128Mbit=16MByte）

　　前言：

　　NOR FLASH 是市场上两种主要的非易失闪存技术之一。Intel于1988年首先开发出NOR Flash 技术(实际上是东芝的富士雄率先开发出来的)，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。NOR Flash 的特点是芯片内执行（XIP ，eXecute In Place），这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR 的传输效率很高，在1~4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响到它的性能。NAND的结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于Flash的管理需要特殊的系统接口。通常读取NOR的速度比NAND稍快一些，而NAND的写入速度比NOR快很多，在设计中应该考虑这些情况。

　　正文：

　　随着物联网的兴起，MCU的应用也越来越广泛了，以前基本上用内置的EEPROM或者外置小容量NOR Flash就可以满足大部分需求，随着技术发展和应用要求的提高，逐渐的MCU需要实现的功能也越来越多，实现更多功能的同时需要存储的数据量也在增大，比如系统增大、存储音频、图片（GUI）、视频缓存、协议栈等等…

　　一般情况下NOR FLASH的用户在容量不够用时直接升级为更高一级容量的NOR FLASH 就可以了，不过也有二般情况，由于NOR的单元结构相对较大的原因，当容量达到一定程度时性价比会异常的低，结合生产工艺和目前的市场情况来看，16MB是一个分水岭，比16MB NOR Flash大一级的32MB NOR Flash 的价格相对于16MB NOR Flash 高出一大截，甚至比128MB的NAND Flash还要贵，雪上加霜的是这货供应状况还不佳，即使能接受32MB NOR Flash的价格并且把方案也开发好了，前期调试和试产都通过了，等到正式量产的时候买不到货… 就可能会错过整机产品销售的最佳时机。

　　这个时候有人会说：这些我都知道啊！我也想用NAND Flash啊！不过我的MCU不！支！持！NAND Flash啊！难不成我还要换平台从头再开发？

　　非也，今时不同往日，有个叫SD NAND 的东东可供选择，NAND 架构、SD协议，只要是支持SD2.0 协议的MCU均可以使用。正常情况下使用SPI 模式，如果需要更快的速度并且IO口够用时可以使用SD模式。内置ECC、坏块管理、均衡擦写等等功能，这意味着用户不需要额外写驱动来管理NAND ,当然性能弱的MCU也做不到^^

　　SD NAND的更多信息可以参考下列文章

　　传送门: 技术问答-什么是SD NAND？ (longsto.com)

　　由于SD NAND 存储单元使用的是NAND 架构，所以NAND 持有的基础特性也继承了下来，SD NAND在这个基础上进一步做了优化，使得易用性和应用兼容性上大大提升。

　　我们先看一看NOR 与 NAND的区别都有哪些。

　　1.NOR Flash支持随机访问，所以支持XIP(execute In Place)，NAND Flash需要按块进行读取，所以不支持XIP 。

　　2.NAND FLASH理论读取速度与NOR Flash相近，实际情况会根据接口不同有些差异。

　　3.NOR 与 NAND 写入前都需要先擦除，NOR在擦除时以64～128KB的块进行，执行一个写入/擦除操作的时间约5s，NAND在擦除时以8～32KB的块进行，执行一个写入/擦除操作的时间约4ms。

　　4.NAND 理论最大擦除次数比NOR多

　　5.NOR 驱动比NAND简单，NAND FLASH需要通过专门的NFI（NAND FLASH Interface）与Host端进行通信，驱动相对复杂。

　　6.所有Flash 都会有位反转的问题，NAND 位反转概率要比NOR高，NAND Flash 必须要使用ECC。

　　7.NAND的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，所以NAND成本更低。

　　总结： NOR 与 NAND 各有特点，应用场景与应用难度也不同，SD NAND 在保留了NAND架构优质特性的同时改进了不足之处，内置的控制器能自行管理NAND Flash，用户无需在外部处理ECC和进行坏块管理，免去了MTD层，用户不需要写繁琐的驱动代码。这些特性也使得NOR用户升级NAND 成为可能。　

　　插播广告^^：CS创世现提供128MB,512MB,4GB 等容量，同时提供商业级和工业级可选项，用户根据自身需求选择即可。

　　128MB 详情页：128MB SD NAND

　　PS. 除了SD NAND 之外还有一种次选升级方案，那就是使用TF卡，不过这种解决方案需要看具体应用环境。SD NAND 与TF卡对比资料可以参考下列文章，希望大家能找到适合自己的产品。　

　　传送门：SD NAND与TF卡的区别-技术问答 (longsto.com)　　

退路. 如果因为某些原因暂时无法升级SD NAND 时，也可以考虑下列高性价比 NOR FLASH，目前有8MB(64Mbit） 、16MB(128Mbit） 容量可供选择，有兴趣的朋友可以跳转到产品详情页查看。

传送门: 8MB/64Mbit SPI NOR

16MB/128Mbit SPI NOR

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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。

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