nand逻辑完备吗我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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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

NAND中是不是可以实现存内计算

如果NAND flash是一个SLC，一个控制门存0或者1，那么如果能够连续的对它进行编程，那么就类似于存内计算吗？

SLC闪存中的存内计算

在SLC闪存中，每个存储单元（cell）只能存储1位信息，即“0”或“1”。这使得SLC闪存具有较高的写入和读取速度以及较长的寿命。

存内计算的概念

存内计算（In-Memory Computing）是一种通过在存储单元内直接执行计算任务的技术，旨在减少数据传输的延迟和能耗。以下是几个与SLC闪存相关的存内计算操作的例子：

逻辑操作 ：

通过对存储单元进行编程操作，可以执行基本的逻辑操作，例如AND、OR、XOR等。例如，两个存储单元可以通过连续的编程和读取操作来执行XOR操作。

多次编程 ：

在编程过程中，可以通过调整编程电压和脉冲来实现对存储单元状态的精细控制。多次编程可以用来模拟和执行一些复杂的计算任务。

计算操作 ：

在存储单元中直接进行加法、减法、乘法等操作，利用存储单元的物理特性和编程机制来执行计算。

连续编程操作

连续编程指的是多次对同一存储单元进行编程操作，通过精细控制电压和脉冲来实现特定的计算任务。这类似于逐步逼近的过程，逐渐改变存储单元的状态以达到所需的计算结果。

示例：XOR操作

假设我们有两个SLC存储单元A和B，要在它们之间执行XOR操作并将结果存储在另一个单元C中：

初始状态 ：读取A和B的状态。编程操作 ：根据A和B的状态，对C进行编程。例如，如果A和B的状态相同（都是0或都是1），则将C编程为0；如果A和B的状态不同，则将C编程为1。结果存储 ：C的状态即为A XOR B的结果。

优势和挑战

优势：

减少延迟 ：通过在存储单元内直接进行计算，减少了数据在处理器和存储器之间传输的延迟。降低能耗 ：减少了数据移动的能耗，提高了系统效率。

挑战：

精度控制 ：多次编程需要精细控制电压和时间脉冲，确保计算结果的准确性。电路复杂性 ：需要额外的控制电路和算法来管理存内计算操作。可靠性 ：多次编程可能影响存储单元的可靠性和寿命，需要平衡计算操作和存储单元的耐用性。

结论

通过连续编程SLC闪存，可以实现类似于存内计算的操作。这种技术在减少延迟和能耗方面具有显著优势，但同时也面临精度控制、电路复杂性和可靠性等挑战。尽管如此，存内计算在数据密集型应用中展现了巨大的潜力，有望在未来得到广泛应用。