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nand flash带ecc 神奇的ECC，可将内存的成本进一步降低

发布时间 : 2024-10-09

作者 : 小编

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神奇的ECC，可将内存的成本进一步降低

高端消费产品、网络和工业系统等内存密集型应用程序正面临着成本压力，这促使工程师寻找在提高性能的同时降低系统成本的新方法。错误码校正(ECC)是NAND闪存中维护可靠性和延长内存寿命的关键技术。为了在市场上实现基于NAND闪存的系统有更好的效率，与集成ECC的架构相比，开发人员更加倾向于在主机MCU中实现ECC架构。

本文将探讨集成的和基于主机的ECC之间的差异，比较一下每种方法对系统性能、可靠性和最终成本的影响。

ECC

简单说一下什么叫ECC。ECC内存即纠错内存，简单的说，其具有发现错误，纠正错误的功能，一般多应用在高档台式电脑/服务器及图形工作站上，这将使整个电脑系统在工作时更趋于安全稳定。

内存在其工作过程中难免会出现错误，而对于稳定性要求高的用户来说，内存错误可能会引起致命性问题。内存错误根据其原因还可分为硬错误和软错误。硬件错误是由于硬件的损害或缺陷造成的，因此数据总是不正确，此类错误是无法纠正的；软错误是随机出现的，例如在内存附近突然出现电子干扰等因素都可能造成内存软错误的发生。

当为一个系统选择闪存时，开发人员可以在NAND和NOR技术之间进行选择。NAND单元比NOR单元小，所以NAND的每位成本比NOR内存低。这反过来导致NAND闪存比NOR闪存可用的密度更高。此外，与NAND相比，NOR单元背后的物理原理导致了更长的程序擦除(P/E)时间。由于这些优点，NAND正以越来越快的速度被采用。

传统上NAND闪存的缺点是耐久性和读取性能较慢。随着时间的推移，NAND单元磨损或失去保持程序值的能力，将影响内存位转换状态。当一个块（Block）开始磨损时，它的数据可以转移到另一个块。随着单元的退化，为了防止数据丢失，我们便采用ECC技术。

ECC使用冗余来验证存储的数据是否与写入到内存的数据相匹配。此外，当检测到错误时，为了确保更高的数据完整性，ECC可以对每个块的错误数量进行修正。当超过某个错误阈值时，数据被移动到一个新块上。废弃的块被标记为“bad”，再也不会使用。因此，NAND闪存与ECC结合就可以提供高可靠性应用程序所需的完整性水平。

然而，由于ECC生成和检查需要时间过程，因此它会影响吞吐量和系统成本，这取决于它是如何实现的。通常，ECC可以与内存本身集成或由主机处理器在外部管理。集成方法有两种配置:

一种是单模方法，其中ECC是内存die的一部分，另一种是双模方法，其中控制器IC(具有串行接口和ECC)与内存die合并。在基于主机的方式下，ECC支持MCU NAND flash控制器去访问NAND。内存制造商提供的这三个选项允许OEM为他们的应用程序选择最佳的折衷方案。

一种灵活的ECC方法

将ECC集成到NAND闪存，具备了直接由存储器芯片本身管理ECC的优势。然而，尽管这种方法在某种程度上简化了系统设计，但代价是较高的内存成本和较低的读取性能。与主机处理器中使用的更高的内部时钟频率相比，闪存中较慢的内部时钟导致了读取性能的降低。

集成了ECC之后就增加了NAND闪存设备的大小和复杂性，因此内存成本会更高。考虑到一个8位ECC的硬件实现有大约50K。这表示对一个简单内存控制器的门数（gate count）(3000K)有~1.7%的影响。然而，如果集成在NAND存储器上，影响会在10-15%之间，并且会使存储器的成本增加更多。对于使用多内存设备的大内存需求系统，将ECC与NAND内存集成意味着要多次支付额外成本，而不是基于主机MCU一次性支付ECC。

此外，读取性能也有所下降，因为集成ECC会增加延迟，每个内存读取的时钟率低于主机控制器可以处理ECC检查的时钟率。下图显示了NOR flash、集成ECC的NAND flash以及基于主机的ECC的NAND flash的读取吞吐量比较。可以看出，集成ECC的NAND闪存的性能不到NOR闪存的一半。然而，当ECC是基于主机的时候，NAND闪存的读取性能几乎翻倍，几乎与NOR闪存持平。

当检测到错误(并纠正错误)时，基于主机的ECC提供了更好的性能。下图显示了错误对读取第一数据时间(RFDT)的影响。通过集成ECC, RFDT从45微秒增加到70微秒。对于基于主机的ECC, RFDT要好得多，仅从35微秒增加到45微秒。

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。

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