nand电路我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

发布时间 : 2024-11-23

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

232层3D闪存芯片来了：单片容量2TB，传输速度提高50%

Pine 发自凹非寺

量子位 | 公众号 QbitAI

232 层的3D闪存芯片来了，数据传输速率提高50%，容量可达2TB。

美光继上次抢先推出176层3D NAND后，近日又率先推出全球首款232层NAND。

△图源美光科技

说起来，跟NAND层数较劲这事儿，并不是美光一家在做。

比如美光的老对手三星，相关研究中心也聚焦在层数上：此前，三星曾抢先业界公布了第八代V-NAND的细节，堆栈层数超过200层。

所以这样“堆高高”，究竟能给芯片性能带来多大的提升？

堆栈层数就像盖楼房

层数越高，NAND闪存可具有的容量就越大。

可以做这样一个简单的比喻：

在一个人满为患的城市，这里的房地产价格昂贵，向外扩展成本很大，唯一的办法是通过增加楼层以支持不断增长的人口，这里的楼层就相当于NAND层。

同样的，停车场和一些基础设施主要位于建筑物下方，以提高空间效率，这相当于最底下的CMOS层。

将NAND的位单元阵列堆叠到更多层中，可在每平方毫米硅片上提供更多存储位，从而实现更高的密度和更低的成本。

3D NAND把解决思路从单纯提高制程工艺转变为堆叠多层，成功解决了平面NAND在增加容量的同时性能降低的问题，实现容量、速度、能效及可靠性等全方位提升。

△图源美光科技

和三星等其他竞争芯片相比，美光新的技术将每单位面积存储的比特密度提高了一倍，每平方毫米封装14.6Gb。

它的1TB芯片被捆绑在2TB的封装中，每个封装的边长都不超过一厘米，可以存储大约两周时长的4K视频。

此外，美光还对芯片的最底层进行了改进，最底下的CMOS层由逻辑和其他电路组成，这些电路负责控制读写操作以及尽可能快速有效地在芯片内外获取数据。

美光优化了其数据传输路径，降低芯片输入和输出的电容，将数据传输速率提高了50%，达到2.4Gb/s。

层数的较量

自从NAND 闪存进入3D时代，堆栈层数犹如摩天大楼一样越来越高，从最初的24/32层一路堆到了现在的176层甚至232层。

层数的较量是整个行业的竞争，三星、美光、SK海力士等企业都致力于层数的突破。

三星是NAND闪存的龙头企业，3D NAND就源于三星。

2013年，三星设计了一种垂直堆叠单元的方法，它将单元集中在单个楼层（类似高层公寓）上，这也是全球首个3D单元结构“V-NAND”，当年可以实现24层堆叠。

此后，三星不断更新技术和扩增产业线，10年间推出了7代产品，以维护自己在NAND闪存市场的地位。

2020年，三星推出了176层的第七代“V-NAND”，它采用了“双堆栈”技术，不是一次性蚀刻所有层，而是将它们分成两部分，然后一层一层堆叠。

因此，第七代V-NAND相较于与第六代的100层，其单元体积减少了35％，它可以在不增加高度的情况下将层数增加到176，同时还可以降低功耗，使效率提高16％。

不过，虽然三星曾抢先公布了第八代V-NAND的细节，称其堆栈层数会超过200层，但这回率先量产200+层闪存的却是美光。

值得一提的是，在此次美光发布的232层3D闪存芯片中，NAND的堆栈技术并不是首创，而是与三星第七代一样采用“双堆栈”技术。

也就是说，将232层分成两部分，每个部分116层，这些层的堆叠是从一个深而窄的孔开始，通过导体和绝缘体的交替层蚀刻。

然后用材料填充孔并加工形成器件的比特存储部分。蚀刻和填充穿过所有这些层的孔的能力是该技术的关键限制。

△图注：图源美光科技

目前，国产芯片企业长江存储的第三代QLC 3D NAND闪存实现了128层堆叠。

对于层数的较量，网友也抱有很乐观的态度：

增加层数几乎不会带来新的问题。

参考链接：[1] https://spectrum.ieee.org/micron-is-first-to-deliver-3d-flash-chips-with-more-than-200-layers[2] https://news.ycombinator.com/item?id=32243862[3] https://ee.ofweek.com/2021-12/ART-8320315-8110-30538953.html

— 完 —

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232层3D闪存芯片来了：单片容量2TB，传输速度提高50%

△图源美光科技

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