NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

来源：内容由 微信公众号 半导体行业观察 （ID：icbank） 翻译自「embedded」，作者 Avinash Aravindan，谢谢。

嵌入式系统设计人员在选择闪存时必须考虑许多因素：使用哪种类型的Flash架构，是选择串行接口还是并行接口，是否需要校验码（ECC）等。如果处理器或控制器仅支持一种类型的接口，则会限制选项，因此可以轻松选择内存。但是，情况往往并非如此。例如，一些FPGA支持串行NOR闪存、并行NOR闪存和NAND闪存来存储配置数据，同样，它们也可以用来存储用户数据，这使得选择正确的存储器件更加困难。本文将讨论闪存的不同方面，重点放在NOR闪存和NAND闪存的差异方面。

存储架构

闪存将信息存储在由浮栅晶体管制成的存储单元中。这些技术的名称解释了存储器单元的组织方式。在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门（参见图1）。

NOR Flash（左）具有类似NOR门的架构。NAND Flash（右）类似于NAN

NOR Flash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势，这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100％已知的零件寿命。缺点包括较大的单元尺寸导致每比特的较高成本和较慢的写入和擦除速度。

相比之下，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。缺点包括较慢的读取速度和I / O映射类型或间接接口，这更复杂并且不允许随机访问。值得注意的是，NAND Flash中的代码执行是通过将内容映射到RAM来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。另一个主要缺点是存在坏块。NAND闪存通常在部件的整个生命周期内出现额外的位故障时具有98％的良好位，因此，器件内需要ECC功能。

存储容量

与NOR闪存相比，NAND闪存的密度要高得多，主要是因为其每比特成本较低。NAND闪存通常具有1Gb至16Gb的容量。NOR闪存的密度范围从64Mb到2Gb。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

擦除/读写

在NOR和NAND闪存中，存储器被组织成擦除块。该架构有助于在保持性能的同时保持较低的成本，例如，较小的块尺寸可以实现更快的擦除周期。然而，较小块的缺点是芯片面积和存储器成本增加。由于每比特成本较低，与NOR闪存相比，NAND闪存可以更经济高效地支持更小的擦除块。目前，NAND闪存的典型块大小为8KB至32KB，NOR Flash为64KB至256KB。

NAND闪存中的擦除操作非常简单，而在NOR闪存中，每个字节在擦除之前都需要写入“0”。这使得NOR闪存的擦除操作比NAND闪存慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要3.5ms才能擦除128KB块，而NOR闪存S70GL02GT则需要约520ms来擦除类似的128KB扇区。这相差近150倍。

如前所述，NOR闪存具有足够的地址和数据线来映射整个存储区域，类似于SRAM的工作方式。例如，具有16位数据总线的2Gbit（256MB）NOR闪存将具有27条地址线，可以对任何存储器位置进行随机读取访问。在NAND闪存中，使用多路复用地址和数据总线访问存储器。典型的NAND闪存使用8位或16位多路复用地址/数据总线以及其他信号，如芯片使能，写使能，读使能，地址锁存使能，命令锁存使能和就绪/忙碌。NAND Flash需要提供命令（读，写或擦除），然后是地址和数据。这些额外的操作使NAND闪存的随机读取速度慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要30μS，而NOR闪存S70GL02GT需要120nS。因此，NOR比NAND快250倍。

为了克服或减少较慢读取速度的限制，通常以NAND闪存中的页方式读取数据，每个页是擦除块的较小子部分。仅在每个读取周期开始时使用地址和命令周期顺序读取一页的内容。NAND闪存的顺序访问持续时间通常低于NOR闪存设备中的随机访问持续时间。利用NOR Flash的随机访问架构，需要在每个读取周期切换地址线，从而累积随机访问以进行顺序读取。随着要读取的数据块的大小增加，NOR闪存中的累积延迟变得大于NAND闪存。因此，NAND Flash顺序读取可以更快。但是，由于NAND Flash的初始读取访问持续时间要长得多，两者的性能差异只有在传输大数据块时才是明显的，通常大小要超过1 KB。

在两种Flash技术中，只有在块为空时才能将数据写入块。NOR Flash的慢速擦除操作使写操作更慢。在NAND Flash中，类似于读取，数据通常以页形式编写或编程（通常为2KB）。例如，单独使用NAND闪存S34ML04G2 写入页面需要300μS。

为了加快写入操作，现代NOR Flashes还采用类似于页面写入的缓冲区编程。例如，前文所述的NOR闪存S70GL02GT，支持缓冲器编程，这使其能够实现与单词相似写入超时多字节编程。例如，512字节数据的缓冲区编程可以实现1.14MBps的吞吐量。

能耗

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是，NOR Flash的待机电流远低于NAND Flash。两个闪存的瞬时有功功率相当。因此，有效功率由存储器活动的持续时间决定。NOR Flash在随机读取方面具有优势，而NAND Flash在擦除，写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

可靠性

保存数据的可靠性是任何存储设备的重要性能指标。闪存会遭遇称为位翻转的现象，其中一些位可以被反转。这种现象在NAND闪存中比在NOR闪存中更常见。出于产量考虑，NAND闪存随附着散布的坏块，随着擦除和编程周期在NAND闪存的整个生命周期中持续，更多的存储器单元变坏。因此，坏块处理是NAND闪存的强制性功能。另一方面，NOR闪存带有零坏块，在存储器的使用寿命期间具有非常低的坏块累积。因此，当涉及存储数据的可靠性时，NOR Flash具有优于NAND Flash的优势。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，NOR Flash再次占据优势，例如，NOR Flash闪存S70GL02GT提供20年的数据保留，最高可达1K编程/擦除周期，NAND闪存S34ML04G2提供10年的典型数据保留。

编程和擦除周期的数量曾是一个需要考虑的重要特性。这是因为与NOR闪存相比，NAND闪存用于提供10倍更好的编程和擦除周期。随着技术进步，这已不再适用，因为这两种存储器在这方面的性能已经很接近。例如，S70GL02GT NOR和S34ML04G2 NAND都支持100,000个编程 - 擦除周期。但是，由于NAND闪存中使用的块尺寸较小，因此每次操作都会擦除较小的区域。与NOR Flash相比，其整体寿命更长。

表1提供了本文中讨论的主要内容摘要。

NOR闪存和NAND闪存的主要特性与一般和具体比较数据的比较。

通常，NOR闪存是需要较低容量、快速随机读取访问和更高数据可靠性的应用的理想选择，例如代码执行所需。NAND闪存则非常适用于需要更高内存容量和更快写入和擦除操作的数据存储等应用。

英特尔如何构建以数据为中心的内存&存储金字塔

“数据是未来的石油“早已成为业界共识，这便意味着如何有效地存储数据并尽可能地释放其价值成为企业数字化转型速度与结果的关键。而这，也是英特尔宣布从以晶体管为中心到以数据为中心转变后，将内存&存储技术列为其六大技术支柱的原因。

英特尔的内存&存储金字塔多三层

计算机硬件常识中，DRAM内存+NAND SSD固态硬盘+HDD机械硬盘为最常见的内存&存储架构，这样的三层金字塔结构在SSD走向大众市场后沿用了许久。而随着数据时代的到来，英特尔将内存&存储金字塔“修”到了六层：DRAM+傲腾数据中心级持久内存+傲腾SSD+NAND SSD+QLC 3D NAND SSD+HDD。

在英特尔看来，传统内存&存储金字塔看似很完整，但面对数据爆炸、需求多样化、数据处理效率极高的现状，却存在着诸多壁垒和鸿沟。如在DRAM层，DRAM的容量增长速度远跟不上数据的增长速度，“要改善计算平台的性能，不只是要改善CPU的性能，还需要内存能提供足够的数据才能提高整体性能。” 这是英特尔中国区非易失性存储事业部总经理刘钢眼中的壁垒之一。

英特尔中国区非易失性存储事业部总经理刘钢

DRAM与NAND SSD之间的时延差距则是刘钢眼中的第二个壁垒。DRAM的时延通常在十几ns，而NAND SSD的时延却得到百us，这意味着，CPU要“焦急地等着”NAND SSD的响应。

第三个壁垒便是如何用低成本、大容量的NAND SSD更大规模替代HDD。这源于当下的数据中心所存储的数据约每三年增加两倍，而硬盘容量每九年才增加两倍，性能更高的NAND SSD却可以做到每两年增加两倍。

以上便是英特尔通过傲腾数据中心级持久内存（以下简称傲腾）、傲腾SSD、QLC 3D NAND SSD重塑内存&存储金字塔的原因：通过傲腾扩大内存层级的容量；通过傲腾SSD消除内存与NAND SSD之间的延时差距；通过QLC 3D NAND SSD取代HDD实现海量数据存储。

落于实地 带来价值

当然，数字化转型不是纸上谈兵。自然，内存&存储金字塔的重塑不能仅停留在技术、产品层面，只有落于企业业务中，为企业带来价值，英特尔对内存&存储金字塔重塑的也才能有意义。

在笔者对英特尔内存&存储金字塔的长期跟踪中，最大的感受便是，英特尔傲腾、傲腾SSD、QLC 3D NAND SSD已经在诸多客户业务中有应用落地，并带来巨大商业价值。如腾讯云，将傲腾运用于自家Redis云数据库服务，在获得更大内存容量支持的同时，实现了同等成本下更优质的Redis云数据库服务能力。

百度智能云则将傲腾SSD和QLC 3D NAND SSD引入其全闪方案，通过这样对象存储引擎的部署，可为AI训练、HPC等场景提供统一的对象存储接口，获得稳定出色的系统性能。

再如浪潮，双方不仅联合推出优化Ceph方案，近期更共同开发中国首款采用傲腾双端口NVMe SSD的全闪存储——AS5000G5-F，实现了高达800万IOPS、0.1ms延时，是当前业界最高性能的中端存储。

这些也只是英特尔对内存&存储金字塔重塑过程中的几个典型案例。总结来看，英特尔的傲腾和傲腾SSD已广泛应用于HPC、AI、数据库、云计算、通信和存储的各种场景中，其中不乏企业的核心负载和业务。

不止“X、Y、Z轴”的持续创新

“英特尔是一家伟大的公司。”这是英特尔的员工评价英特尔时，最常说到的一句话。做出这样评价的理由是：这家技术公司，从未停止在技术上的投入与创新。在与英特尔的沟通中，刘钢也详解谈到了英特尔接下来要如何将其内存&存储金字塔打造得更加坚实。

无论是傲腾/傲腾SSD的组成介质3D Xpoint，还是传统SSD的NAND介质，二者均采用3D堆叠，这也意味着，要想拓展傲腾、傲腾SSD、3D NAND SSD的容量，可从“X、Y、Z轴”三个不同方向着手。

事实也的确如此，刘钢透露，相比第一代采用两个Deck堆叠的3D Xpoint介质，第二代3D Xpoint介质将采用四个Deck堆叠，密度的提高意味着采用第二代3D Xpoint介质堆叠的傲腾/傲腾SSD在每GB成本上将更具性价比。同样，在3D NAND上，英特尔也将向144层堆叠迈进。这两类产品也将于明年走向市场。

但“X、Y、Z轴”上的扩展，仅仅是英特尔在内存&存储技术上创新的一部分。在内存&存储产品上，除了存储介质，还有CMOS控制电路。英特尔的做法是将存储介质与CMOS控制电路分开排列，将CMOS控制电路放在存储介质下方，以尽可能提升存储密度。以刘钢所讲的例子形容就是：“将高楼的车库建在地下，这样停车才不会占小区其他面积。”

同时，目前3D NAND的实现形式分为Floating Gate浮栅式结构和Charge Trap电荷捕获型结构两种。英特尔采用的便是前者，在刘钢看来，相比Charge Trap技术，Floating Gate技术的工艺要求更高，同时也有助于光刻和蚀刻工艺实现3D NAND更高层次的堆叠。除此以外，在3D NAND上，除将3D QLC NAND向144层堆叠外，英特尔也在着手PLC颗粒的研发。

另一方面，傲腾留给外界的印象便是这仅是一款采用新型3D Xpoint介质的内存产品或存储产品，而实际上的傲腾，大大超过3D Xpoint的范畴。英特尔技术专家谈到：“傲腾不仅是介质，还有英特尔相应在CPU方面做的很多优化，再加上互连技术以及英特尔的一些软件，包括库和驱动器，还有存储和存储控制器，所有加在一起才是傲腾技术，这是一个整体的解决方案。”

结语

从做存储起家，到生产CPU全球知名，再到今天传输、计算、存储并行，50年里，英特尔一直在围绕一件事：数据。面对已经到来的人工智能以及即将到来的万物互联，英特尔的六大技术支柱又将如何构建以数据为中心的时代？想必在内存&存储上，英特尔已有了清晰答案，那便是对原有内存和存储层级的不断重塑以及在此基础上的持续技术投入和创新。

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