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flash与nand关系 NAND和NOR flash的区别

发布时间 : 2024-10-11

作者 : 小编

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NAND和NOR flash的区别

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM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，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。　　相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。　　NOR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了它的性能。　　NAND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的管理和需要特殊的系统接口。性能比较　　flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。　　由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。　　执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。　　● NOR的读速度比NAND稍快一些。　　● NAND的写入速度比NOR快很多。　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。接口差别　　NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。　　NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。　　NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。容量和成本　　NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。　　NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。可靠性和耐用性　　采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。　　寿命(耐用性)　　在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。　　位交换　　所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。　　一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。　　当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。　　这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。　　坏块处理　　NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。　　NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。易于使用　　可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。　　由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。　　在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。软件支持　　当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。　　在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。　　使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。　　驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

国产存储器破局国际垄断

长期被国际巨头垄断的存储器市场终于迎来了中国玩家。

在面对和长江存储一起经历国产NAND FLASH从无到有的八家主要合作伙伴时，长江存储CEO杨士宁(Simon)说道：“存储不是一个好做的行业，我可以很负责任跟大家说，比我在英特尔做CPU还要难。”

而长江存储董事长、紫光集团董事长兼CEO赵伟国在现场也坦言，从2016年7月成立到现在三年多，长江存储这一“中国半导体有史以来最大的项目”，经历了从32层到64层研发，过程非常不容易，“回想这三年多，真的是有一种雄关漫道真如铁的感觉。”

与此同时，经历了一年多大萧条的存储器市场逐渐回暖，长江存储这一国产存储器厂商将迎来发展良机。

“超出预期”

存储器约占全球半导体产值的三分之一，市场高度集中。市场调研机构集邦咨询半导体研究中心(DRAMeXchange)信息显示，2019年第三季度，三星、铠侠、西部数据、美光、英特尔和SK海力士六家占据了全球99.3%的NAND Flash市场份额。赵伟国称其是一个“非常血性的行业，非常惨烈”。

不过，被客户评价“踏实、不虚浮”的杨士宁对自己的产品较为自信，“这是我们第一次全线推出Xtacking技术，我们在64层这一代存储密度达到了全球最优，和竞争对手96层的产品差距在10%之内。所以只要我们有规模，64层的产品还是可以有毛利的，现在主要的瓶颈在规模上。”

Xtacking是闪存的一种创新架构，可实现在两片独立的晶圆上加工外围电路和存储单元，这样有利于选择更先进的逻辑工艺，从而让NAND能获取更高的I/O接口速度及更多的操作功能。当两片晶圆各自完工后，Xtacking只需一个处理步骤即可通过数百万根垂直互联通道(VIA)将两片晶圆键合，合二为一。该技术架构在2018年美国FMS（闪存峰会）上获得大奖。

2019年9月，长江存储宣布，公司已开始量产64层256Gb TLC 3D NAND闪存，以满足固态硬盘、嵌入式存储等主流市场应用需求。目前，这一产品在市场上反馈良好。

群联电子已将长江存储第一代32层闪存导入其国内所有的产品，包括机顶盒、智能音箱、数码电视等已经在积极出货，“证明产品没有问题，往后到第二代64层产品，我特别惊讶，因为看到问题比其他日系、韩系、美系企业的少，这些企业从第一代到第二代一直会有重复的问题出现。”群联电子董事长兼CEO潘健成指出。

对于产品质量和定位，杨士宁强调：“我们守住了产品质量的底线，大家现在知道长江存储出去的东西，不是最低端的、在地摊上卖，我们至少要达到企业级规格。”

除了技术，生态是制约国产芯片发展的重要因素。电子产品只有进入应用不断迭代才能不断提高。国产存储器要壮大自然也离不开市场和生态。群联长期专注于闪存主控的开发与存储方案的整合，透过群联自有技术与IP，整合长江存储的3D NAND闪存，协助扩大市场的应用与普及率。

潘健成谈到，长江存储与群联不仅是NAND原厂与主控厂的关系，更是技术、产品、应用及市场等全方位的长期伙伴关系。“我们从第一天就一起共同开发，开发完之后产出东西就买走，前期可能有一些瑕疵，我们用自己的主控修好，应用到所有不同的商品去，这是业务角度；我们运用我们的能力，跟一群伙伴把闪存放射到所有系统应用去，这就是生态。”他笑称，这三年公司对长存倾注所有资源，“光飞武汉的班次不知道飞了多少次。”

中国闪存市场指出，在2020年其他原厂缩减渠道供应时，长江存储若选择切入渠道市场、补充供给，十分合理，也可以更好平衡全球闪存市场供应格局。蔡华波告诉记者，引入长江存储这一新竞争者可以提高与其他供应商的议价能力，保留竞争。

同时，国内供应商可以提高本土供应的时效性，后续的支持力度也会优于海外厂商。“因为市场在中国，为了缩短供应链都放在国内生产，成本就降低了。现在国内供应链包括封装成长都很快，所以可以在国内生产，国内销售。”江波龙电子董事长蔡华波指出。

市场回暖

自2016年以来的存储器价格持续上涨曾让三星打败英特尔，成为全球最大的半导体厂商。到了2018年9月，存储器开始走下坡路。

不过，在2019年第三季度跌至低谷后，存储器市场又开始回暖。市场调研机构IC Insights 称，2020年IC市场回暖，NAND FLASH2020年以19%的增长率领涨。

集邦资讯称，2020年第一季NAND Flash价格持续上涨。基于淡季需求表现不淡，供给增长保守以及供应商库存已下降，各类产品合约价在2020年第一季均可望持续上涨。

潘健成告诉记者，目前NAND FLASH供应非常紧缺，“我创业十年以来第一次看到这么紧。因为5G元年来了，游戏机跑出来了，容量翻倍。2017、2018年（闪存）不赚钱、赔钱，（厂商）扩产动作放慢了，将造成2020年整年紧张。可能2021年上半年稍微弱一点，下半年又会好起来。”

随着5G、AI、智能生活、智慧城市带来的个人消费电子和大规模数据中心的快速发展，市场对3D NAND闪存的需求将越发白热化。

蔡华波认为，长江存储进入市场的时机非常好。“过去两年市场很惨痛。在市场低价时，长江存储可以静下来做研发，等市场需求起来时产能也在爬坡，对长江存储是好事。”

不过，正如杨士宁提到的，长江存储正面临产能爬坡的挑战。

根据长江存储市场与销售资深副总裁龚翊介绍，目前长江存储有一座12英寸晶圆厂，规划满产的产能为10万片/月，预计2020年底前产能将达5万~10万片/月，后续将根据市场情况进一步扩大。据第一财经了解，目前产能约为2万片/月。

据报道，长江存储副董事长杨道虹日前表示，将尽早达成64层3D闪存产品月产能10万片，并按期建成30万片/月产能。

龚翊披露，按计划今年年底前集成长江存储3D NAND闪存的产品将逐步面市。首先是针对电子消费产品和手机的市场，随后将会针对PC和服务器提供SSD产品。其中，在固态闪存市场将会根据客户需求，先后推出面向PC、服务器以及大数据中心的产品。

长江存储未披露目前的良率，不过杨士宁确认，下一代产品规划将跳过96层，直接进入128层3D NAND闪存研发。虽然完成了万里长征第一步，但长江存储的担子依旧不轻。2020年，三星、SK海力士、美光、铠侠、西部数据等国际主流厂商将全面进入128层3D NAND，长江存储仍需奋力追赶。

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