快閃存儲(chǔ)器技術(shù)

　　Flash Memory從結(jié)構(gòu)上大體上可以分為AND、NAND、NOR和DINOR等幾種，現(xiàn)在市場(chǎng)上兩種主要的Flash Memory技術(shù)是NOR和NAND結(jié)構(gòu)。

　　Intel于1988年首先開發(fā)出NOR flash技術(shù)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989年，東芝公司發(fā)表了NAND flash結(jié)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級(jí)。

　　Nor Flash器件以及NAND Flash器件都是采用浮柵器件，在寫入之前必須先行擦除。浮柵器件也是利用電場(chǎng)的效應(yīng)來控制源極與漏極之間的通斷，柵極的電流消耗極小，不同的是場(chǎng)效應(yīng)管為單柵極結(jié)構(gòu)，而FLASH為雙柵極結(jié)構(gòu)，在柵極與硅襯底之間增加了一個(gè)浮置柵極。

　　浮置柵極是由氮化物夾在兩層二氧化硅材料之間構(gòu)成的，中間的氮化物就是可以存儲(chǔ)電荷的電荷勢(shì)阱。上下兩層氧化物的厚度大于50埃，以避免發(fā)生擊穿。

　　一 存儲(chǔ)單元工作原理

　　cc1. NOR存儲(chǔ)單元

　　快閃存儲(chǔ)器的擦寫技術(shù)來源于溝道熱電子發(fā)射（Channel Hot-Electron Injection）與隧道效應(yīng)（Fowlerordheim）。

　　NOR結(jié)構(gòu)的Flash memory主要用于存儲(chǔ)指令代碼及小容量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品中，目前的單片最高容量為512M，NOR Flash memory產(chǎn)品的主要領(lǐng)導(dǎo)者為Intel公司、AMD公司、Fujitsu公司、ST Microelectronics和公司。

　　ccNOR結(jié)構(gòu)的Flash memory采用NOR SGC（Stacked Gate Cell）存儲(chǔ)單元，是從EPROM結(jié)構(gòu)直接發(fā)展而來，非常成熟的結(jié)構(gòu)，采用了簡(jiǎn)單的堆疊柵構(gòu)造。圖1是其結(jié)構(gòu)原理圖。溝道熱電子發(fā)射（CHEI）器件的浮柵的充電（寫）是通過傳統(tǒng)的溝道熱電子發(fā)射（CHEI）在漏端附近完成的；浮柵的放電（擦除）在源端通過隧道氧化層的隧道效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

　　cccc cc

　　cc這種結(jié)構(gòu)單元面積小，同EPROM的面積相當(dāng)，編程（寫）時(shí)間短，在10μs左右，源漏結(jié)可以分開優(yōu)化，漏結(jié)優(yōu)化溝道熱電子發(fā)射，源結(jié)優(yōu)化隧道效應(yīng)，采用了自對(duì)準(zhǔn)工藝。

　　cc隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，存儲(chǔ)單元的特征尺寸越來越小，工作電壓降低，帶來的負(fù)面影響是熱電子發(fā)射效率降低，編程時(shí)較難工作于4V漏源電壓下。為提高熱電子發(fā)射效率，需要對(duì)源結(jié)、漏結(jié)、溝道摻雜分布進(jìn)行優(yōu)化1，整體工藝較復(fù)雜，編程電流也較大，大約400μA／bit（0．5μm）技術(shù)。工藝流程以0．25μm-0．35μm產(chǎn)品為例，采用DPDM制造的快閃存儲(chǔ)器需要23塊Mask版，進(jìn)行27次光刻。

　　cc2. 隧道效應(yīng)（Fowlerordheim）存儲(chǔ)單元

　　cc隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元是目前快速發(fā)展的快閃存儲(chǔ)器生產(chǎn)技術(shù)，在快閃存儲(chǔ)器中一般組成NAND存儲(chǔ)陣列，單元面積小，其工藝較簡(jiǎn)單，容量大，成本低，適用于低價(jià)格、高容量、速度要求不高的Flash memory客戶用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；在MP3、PAD、數(shù)碼相機(jī)、2．5G及3G無線系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　cc圖2是隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)原理圖，其編程、擦除通過隧道氧化層的隧道效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，類似EEPROM，其優(yōu)點(diǎn)是在編程時(shí)可以工作在2．5V的源漏電壓下，功耗低，非常適合非接觸式IC卡，同時(shí)NAND陣列的單元面積是NOR SGC單元面積的二分之一，適合于大容量集成。

　　cc

　　cc隧道效應(yīng)存儲(chǔ)單元擦寫工作電壓高，一般要求達(dá)到16V-20V，對(duì)器件、電路的設(shè)計(jì)要求高，編程（寫）時(shí)間較長(zhǎng)，在50μs-100μs，不適合字節(jié)編程，適用于大容量頁編程，像EEPROM一樣，編程時(shí)，加在隧道氧化層上電場(chǎng)強(qiáng)度高，存在SILC（stress induced leakage currents）效應(yīng)，對(duì)工藝要求高。

　　3. 數(shù)據(jù)讀取原理

　　對(duì)于NOR以及NAND FLASH Memory，向浮柵中注入電荷表示寫入了‘0’，沒有注入電荷表示‘1’，所以對(duì)FLASH清除數(shù)據(jù)是寫1的，這與硬盤正好相反；

　　對(duì)于浮柵中有電荷的單元來說，由于浮柵的感應(yīng)作用，在源極和漏極之間將形成帶正電的空間電荷區(qū)，這時(shí)無論控制極上有沒有施加偏置電壓，晶體管都將處于導(dǎo)通狀態(tài)。而對(duì)于浮柵中沒有電荷的晶體管來說只有當(dāng)控制極上施加有適當(dāng)?shù)钠秒妷海诠杌鶎由细袘?yīng)出電荷，源極和漏極才能導(dǎo)通，也就是說在沒有給控制極施加偏置電壓時(shí)，晶體管是截止的。

　　如果晶體管的源極接地而漏極接位線，在無偏置電壓的情況下，檢測(cè)晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)就可以獲得存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)，如果位線上的電平為低，說明晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，讀取的數(shù)據(jù)為0，如果位線上為高電平，則說明晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，讀取的數(shù)據(jù)為1。由于控制柵極在讀取數(shù)據(jù)的過程中施加的電壓較小或根本不施加電壓，不足以改變浮置柵極中原有的電荷量，所以讀取操作不會(huì)改變FLASH中原有的數(shù)據(jù)。

　　二 連接和編址方式

　　兩種FLASH具有相同的存儲(chǔ)單元，工作原理也一樣，為了縮短存取時(shí)間并不是對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行單獨(dú)的存取操作，而是對(duì)一定數(shù)量的存取單元進(jìn)行集體操作，NAND型FLASH各存儲(chǔ)單元之間是串聯(lián)的，而NOR型FLASH各單元之間是并聯(lián)的，為了對(duì)全部的存儲(chǔ)單元有效管理，必須對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行統(tǒng)一編址。

　　1. NOR Flash連接

　　NOR Flash的每個(gè)存儲(chǔ)單元以并聯(lián)的方式連接到位線，方便對(duì)每一位進(jìn)行隨機(jī)存??；具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)線和地址線，可以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)存?。豢s短了FLASH對(duì)處理器指令的執(zhí)行時(shí)間。

　　NOR Flash可以單字節(jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以塊為單位或?qū)φ瑘?zhí)行擦除操作，在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行重新編程之前需要對(duì)塊或整片進(jìn)行預(yù)編程和擦除操作，但是擦除和編程速度較慢。

　　2. NAND Flash的結(jié)構(gòu)

　　NAND Flash 的數(shù)據(jù)是以bit的方式保存在memory cell，一般來說，一個(gè)cell 中只能存儲(chǔ)一個(gè)bit。這些cell 以8個(gè)或者16個(gè)為單位，連成bit line，形成所謂的byte（x8）/word（x16），這就是NAND Device的位寬。這些Line會(huì)再組成Page，若干個(gè)Page構(gòu)成一個(gè)Block，一個(gè)NAND Flash存儲(chǔ)器包含若干個(gè)Block。

　　三星的K9F1208U0M每頁528Bytes（512byte（Main Area）+16byte（Spare Area），參見說明1），每32個(gè)page形成一個(gè)Block（32*528B），具有4096個(gè)block，故總?cè)萘繛?096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用來保存ECC校驗(yàn)碼等額外數(shù)據(jù)的，故實(shí)際中可使用的為64MB。

　　說明1：NAND閃存的每一頁都有8B（頁長(zhǎng)度 256B）或者16B（頁長(zhǎng)度為512B）的OOB（Out Of Band）數(shù)據(jù)區(qū)，用來存放ECC（Error Checking &Correction）、ECC有效標(biāo)志、壞塊標(biāo)志等。

　　NAND flash以頁為單位讀寫數(shù)據(jù)，而以塊為單位擦除數(shù)據(jù)。按照這樣的組織方式可以形成所謂的三類地址：

　　Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文為列地址，地址的低8位

　　Page Address ：頁地址

　　Block Address ：塊地址

　　對(duì)于NAND Flash來講，地址和命令只能在I/O［7:0］上傳遞，數(shù)據(jù)寬度是8位。

　　3. NAND Flash尋址舉例

　　512byte需要9bit來表示，對(duì)于528byte系列的NAND，這512byte被分成1st half Page Register和2nd half Page Register，各自的訪問由地址指針命令來選擇，A［7:0］就是所謂的column address（列地址），在進(jìn)行擦除操作時(shí)不需要它，因?yàn)橐詨K為單位擦除。32個(gè)page需要5bit來表示，占用A［13:9］，即該page在塊內(nèi)的相對(duì)地址。A8這一位地址被用來設(shè)置512byte的1st half page還是2nd half page，0表示1st，1表示2nd。Block的地址是由A14以上的bit來表示。

　　例如64MB（512Mb）的NAND flash（實(shí)際中由于存在spare area，故都大于這個(gè)值），共4096block，因此，需要12個(gè)bit來表示，即A［25:14］，如果是128MB（1Gbit） 的528byte/page的NAND Flash，則block address用A［26:14］表示。而page address就是blcok address|page address in block。NAND Flash 的地址表示為： Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 地址傳送順序是Column Address，Page Address，Block Address。

　　由于地址只能在I/O［7:0］上傳遞，因此，必須采用移位的方式進(jìn)行。 例如，對(duì)于512Mbit x8的NAND flash，地址范圍是0~0x3FF_FFFF，只要是這個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)值表示的地址都是有效的。 以NAND_ADDR 為例：

　　第1 步是傳遞column address，就是NAND_ADDR［7:0］，不需移位即可傳遞到I/O［7:0］上，而halfpage pointer即A8 是由操作指令決定的，即指令決定在哪個(gè)halfpage 上進(jìn)行讀寫，而真正的A8 的值是不需程序員關(guān)心的。

　　第2 步就是將NAND_ADDR 右移9位，將NAND_ADDR［16:9］傳到I/O［7:0］上；

　　第3 步將NAND_ADDR［24:17］放到I/O上；

　　第4步需要將NAND_ADDR［25］放到I/O上；

　　因此，整個(gè)地址傳遞過程需要4 步才能完成，即4-step addressing。 如果NAND Flash 的容量是32MB（256Mbit）以下，那么，block adress最高位只到bit24，因此尋址只需要3步。

　　下面，就x16 的NAND flash 器件稍微進(jìn)行一下說明。 由于一個(gè)page 的main area 的容量為256word，仍相當(dāng)于512byte。但是，這個(gè)時(shí)候沒有所謂的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就變得沒有意義了，也就是這個(gè)時(shí)候 A8 完全不用管，地址傳遞仍然和x8 器件相同。除了，這一點(diǎn)之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。

　　三 NAND Flash和NOR Flash的比較

　　如果只是用來存儲(chǔ)少量的代碼，這時(shí)NOR閃存更適合一些。而NAND則是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想解決方案。

　　NOR的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP， eXecute In Place），這樣應(yīng)用程序可以直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時(shí)具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。

　　NAND結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲(chǔ)密度，并且寫入和擦除的速度也很快。應(yīng)用NAND的困難在于flash的管理和需要特殊的系統(tǒng)接口。

　　1.性能比較

　　flash閃存是非易失存儲(chǔ)器，可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡(jiǎn)單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。

　　由于擦除NOR器件時(shí)是以64～128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個(gè)寫入/擦除操作的時(shí)間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。

　　執(zhí)行擦除時(shí)塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統(tǒng)計(jì)表明，對(duì)于給定的一套寫入操作（尤其是更新小文件時(shí)），更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲(chǔ)解決方案時(shí)，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。

　　.NOR的讀速度比NAND稍快一些。

　　.NAND的寫入速度比NOR快很多。

　　.NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快。

　　。大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。

　　.NAND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。

　　2.接口差別

　　NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個(gè)字節(jié)。

　　NAND器件使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取數(shù)據(jù)，各個(gè)產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個(gè)引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息（地址總線、數(shù)據(jù)總線復(fù)用）。

　　NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤管理此類操作，很自然地，基于NAND的存儲(chǔ)器就可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。

　　3.容量和成本

　　NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡(jiǎn)單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價(jià)格。

　　NOR flash占據(jù)了容量為1～16MB閃存市場(chǎng)的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲(chǔ)介質(zhì)中，NAND適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲(chǔ)卡市場(chǎng)上所占份額最大。

　　4.可靠性和耐用性

　　采用flahs介質(zhì)時(shí)一個(gè)需要重點(diǎn)考慮的問題是可靠性。對(duì)于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來說，F(xiàn)lash是非常合適的存儲(chǔ)方案?？梢詮膲勖陀眯裕?、位交換和壞塊處理三個(gè)方面來比較NOR和NAND的可靠性。壽命（耐用性）在NAND閃存中每個(gè)塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND存儲(chǔ)器除了具有10比1的塊擦除周期優(yōu)勢(shì)，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個(gè)NAND存儲(chǔ)器塊在給定的時(shí)間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。

　?。?）位交換

　　所有flash器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下（很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多），一個(gè)比特位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報(bào)告反轉(zhuǎn)了。

　　一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個(gè)關(guān)鍵文件上，這個(gè)小小的故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有問題，多讀幾次就可能解決了。

　　當(dāng)然，如果這個(gè)位真的改變了，就必須采用錯(cuò)誤探測(cè)/錯(cuò)誤更正（EDC/ECC）算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供應(yīng)商建議使用NAND閃存的時(shí)候，同時(shí)使用EDC/ECC算法。

　　這個(gè)問題對(duì)于用NAND存儲(chǔ)多媒體信息時(shí)倒不是致命的。當(dāng)然，如果用本地存儲(chǔ)設(shè)備來存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、配置文件或其他敏感信息時(shí)，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可靠性。

　　（2）壞塊處理

　　NAND器件中的壞塊是隨機(jī)分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價(jià)太高，根本不劃算。

　　NAND器件需要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能進(jìn)行這項(xiàng)處理，將導(dǎo)致高故障率。

　　5.易于使用

　　可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其他存儲(chǔ)器那樣連接，并可以在上面直接運(yùn)行代碼。

　　由于需要I/O接口，NAND要復(fù)雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時(shí)，必須先寫入驅(qū)動(dòng)程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其他操作。向NAND器件寫入信息需要相當(dāng)?shù)募记桑驗(yàn)樵O(shè)計(jì)師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映射。

　　6.軟件支持

　　當(dāng)討論軟件支持的時(shí)候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級(jí)的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。

　　在NOR器件上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時(shí)，通常需要驅(qū)動(dòng)程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序（MTD），NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時(shí)都需要MTD。

　　使用NOR器件時(shí)所需要的MTD要相對(duì)少一些，許多廠商都提供用于NOR器件的更高級(jí)軟件，這其中包括M-System的TrueFFS驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所采用。

　　驅(qū)動(dòng)還用于對(duì)DiskOnChip產(chǎn)品進(jìn)行仿真和NAND閃存的管理，包括糾錯(cuò)、壞塊處理和損耗平衡。（糾正一點(diǎn)：NOR擦除時(shí)，是全部寫1，不是寫0，而且，NOR FLASH SECTOR擦除時(shí)間視品牌、大小不同而不同，比如，4M FLASH，有的SECTOR擦除時(shí)間為60ms，而有的需要最大6S。）NOR FLASH的主要供應(yīng)商是INTEL ，MICRO等廠商，曾經(jīng)是FLASH的主流產(chǎn)品，但現(xiàn)在被NAND FLASH擠的比較難受。它的優(yōu)點(diǎn)是可以直接從FLASH中運(yùn)行程序，但是工藝復(fù)雜，價(jià)格比較貴。NAND FLASH的主要供應(yīng)商是SAMSUNG和東芝，在油盤、各種存儲(chǔ)卡、MP3播放器里面的都是這種FLASH，由于工藝上的不同，它比NOR FLASH擁有更大存儲(chǔ)容量，而且便宜。但也有缺點(diǎn)，就是無法尋址直接運(yùn)行程序，只能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。另外NAND FLASH 非常容易出現(xiàn)壞區(qū)，所以需要有校驗(yàn)的算法。在掌上電腦里要使用NAND FLASH 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序，但是必須有NOR FLASH來啟動(dòng)。除了SAMSUNG處理器，其他用在掌上電腦的主流處理器還不支持直接由NAND FLASH 啟動(dòng)程序。因此，必須先用一片小的NOR FLASH 啟動(dòng)機(jī)器，在把OS等軟件從NAND FLASH 載入SDRAM中運(yùn)行。

　　參考資料

　　1. 嵌入式Flash Memory Cell技術(shù)2. NAND與NOR FLASH的原理與異同

　　3. NAND Flash和NOR Flash的比較

　　4. nand flash 原理簡(jiǎn)介