闪存分类和关键参数必读.doc

1、闪存分类和关键参数必读大 约 在 1984 年 ， 在 受 聘 于 东 芝 公 司 期 间 ， Fujio Masuoka 博 士 发 明 了 一 种 独 特 的 存 储 器 件 ，具 有 只 读 存 储 器 (ROM)、 随 机 存 取 存 储 器 (RAM)和 电 可 擦 除 只 读 存 储 器 (EEPROM)器 件 的 理想 特 征 。 与 RAM 和 EEPROM 一 样 ， 可 以 对 这 些 新 颖 的 器 件 或 同 类 的 ROM 进 行 写 、 擦 除 和重 写 数 据 的 操 作 ， 器 件 能 将 可 恢 复 的 静 态 数 据 保 存 几 乎 无 限 长 时 间 。

2、此 外 ， 与 RAM 和 ROM相 比 ， Masuoka 博 士 的 存 储 器 的 容 量 容 易 提 高 。 重 要 的 是 ， 与 ROM 和 EEPROM 相 比 ， 该芯 片 能 长 时 期 存 储 数 据 ， 不 需 要 备 份 电 池 或 外 部 电 源 （ 见 图 ） 。 除 无 需 外 部 电 源 （ 非 易 失 性 ） 存 储 数 据 和 可 写 、 擦 除 信 息 的 功 能 外 ， 随 着 读 /写 操 作 更 快 ， 且成 本 更 低 的 新 型 存 储 器 的 出 现 ， EEPROM 和 ROM 不 再 那 么 普 遍 了 。 Masuoka 博 士 的 同

3、事Shoji Ariizumi 将 新 存 储 器 的 擦 除 速 度 比 作 照 相 机 的 快 闪 ， 虽 然 它 没 有 RAM 快 ， 但 这 一 比 较形 象 而 吸 引 人 ， 快 闪 存 储 器 因 而 得 名 。 在 那 一 年 晚 些 时 候 ， 在 加 州 圣 何 塞 召 开 的 “IEEE 1984 国 际 电 子 器 件 会 议 ”上 ， 闪 存 首 次 亮 相 。预 测 到 该 技 术 的 好 处 和 经 济 生 命 力 后 ， Intel 公 司 于 1988 年 推 出 了 首 款 商 用 NOR 型 闪 存 芯 片 。如 今 ， 闪 存 广 泛 地 应 用 在

4、大 容 量 消 费 类 电 子 产 品 中 ， 如 数 字 音 频 播 放 器 、 照 相 机 、 手 机 、USB 驱 动 、 存 储 卡 和 视 频 游 戏 ， 以 及 如 嵌 入 式 系 统 和 集 成 在 微 控 制 器 中 的 复 杂 设 计 。 闪 存 的 分 类 闪 存 由 门 组 成 ， 基 本 上 有 两 种 类 型 ： NOR 和 NAND。 在 工 作 上 ， NOR 存 储 器 用 作 如 计 算 机里 典 型 的 RAM 操 作 ， 允 许 直 接 存 取 单 个 字 节 或 者 多 字 节 空 间 ， 不 管 他 们 在 存 储 空 间 中 的 位 置如 何 。 在

5、 用 途 方 面 ， NOR 闪 存 可 以 用 于 存 储 元 件 的 专 用 软 件 ， 如 路 由 器 固 件 或 计 算 机 的BIOS。 NOR 闪 存 规 定 的 工 作 寿 命 约 为 100,000 次 写 周 期 ， 超 过 此 寿 命 后 会 出 现 坏 区 。 在 Intel 展 出 首 款 NOR 闪 存 器 件 后 大 约 一 年 ， 东 芝 公 司 开 发 了 NAND 闪 存 ， 该 闪 存 依 靠 闪 存转 化 软 件 使 器 件 成 为 类 似 操 作 系 统 的 硬 盘 驱 动 器 。 这 种 闪 存 与 其 NOR 对 手 相 比 ， 有 三 个 明 显的

6、 优 点 ： 寿 命 长 ， 为 100 万 次 读 /写 周 期 ； 读 /写 操 作 更 快 ； 成 本 更 低 。 另 外 ， NAND 闪 存 能够 保 留 更 大 的 数 据 块 ， 进 行 长 时 间 或 短 时 间 存 储 。 NAND 器 件 对 存 储 由 产 品 收 集 或 下 载 到 产品 的 数 据 更 有 用 ， 如 数 据 记 录 仪 的 信 息 、 数 码 相 机 的 照 片 /视 频 、 MP3 播 放 器 的 音 乐 文 件 ， 等等 。 更 新 出 现 的 第 三 种 类 型 的 闪 存 是 OneNAND 闪 存 ， 由 Samsung 开 发 ， 支 持

7、 更 快 速 数 据 吞 吐和 更 高 的 密 度 ， 这 两 点 是 满 足 高 分 辨 率 摄 影 、 视 频 和 其 他 媒 体 应 用 的 两 个 主 要 要 求 。OneNAND 可 看 作 NOR 和 NAND 技 术 的 一 种 混 合 。 从 本 质 上 来 讲 ， 一 个 单 独 的 OneNAND芯 片 集 成 了 一 个 NOR 闪 存 接 口 ， NAND 闪 存 控 制 器 逻 辑 、 一 个 NAND 闪 存 阵 列 ， 以 及 高 达5 KB 的 缓 冲 RAM。 至 于 速 度 ， 它 能 以 高 达 108 MB/s 的 持 续 读 数 据 率 传 输 。 O

8、neNAND 器 件 有 两 种 类 型 ： muxed 和 demuxed。 对 于 muxed 型 ， 地 址 引 脚 和 数 据 引 脚 结合 在 一 起 ， 而 demuxed 型 芯 片 这 两 个 引 脚 是 分 开 的 。 当 关 注 的 是 减 少 引 脚 数 时 ， 选 择muxed OneNAND 可 能 好 一 些 。 另 外 ， muxed OneNAND 只 工 作 在 1.8V， demuxed 的 密 度较 低 ， 不 到 1 Gbit， demuxed 有 1.8V 和 3.3V 两 种 选 择 。 如 果 muxed 或 demuxed 器 件 的 密度 超

9、过 1 Gbit， 则 只 能 选 择 1.8V 的 工 作 电 压 。 总 之 ， NOR 闪 存 适 合 代 码 存 储 ， 就 是 说 ， 固 件 、 器 件 应 用 等 ， 而 NAND 闪 存 处 理 存 储 量 大的 类 似 于 硬 盘 驱 动 的 例 行 工 作 。 OneNAND 闪 存 两 个 优 点 都 具 备 ， 它 能 胜 任 代 码 和 海 量 数 据存 储 ， 同 时 效 率 更 高 。 基 本 的 闪 存 工 作 各 类 闪 存 都 包 含 大 量 单 元 ， 每 个 单 元 都 是 一 组 浮 置 栅 极 晶 体 管 阵 列 。 早 期 的 闪 存 器 件 每

10、个 单元 存 储 1 位 信 息 。 不 过 ， 经 过 不 断 发 展 已 经 出 现 了 多 级 单 元 器 件 ， 通 过 使 用 两 级 以 上 的 电 荷 ，这 些 多 级 单 元 器 件 的 存 储 量 超 过 了 每 单 元 1 位 。 典 型 的 NOR 单 元 看 起 来 类 似 两 个 栅 极 的 MOSFET： 一 个 控 制 栅 极 和 一 个 浮 置 栅 极 ， 有 一 层氧 化 物 将 两 者 分 开 。 浮 置 栅 极 在 衬 底 和 控 制 栅 极 之 间 ， 数 据 就 存 储 于 此 。 当 电 流 从 源 极 流 至漏 极 时 ， 在 控 制 栅 极 产

11、生 一 个 高 压 ， 就 对 NOR 单 元 编 程 。 当 此 高 压 达 到 适 当 的 水 平 ， 电 子（ 数 据 ） 流 向 浮 置 栅 极 ， 在 此 借 助 于 绝 缘 层 数 据 得 以 保 存 。 这 一 过 程 称 作 热 电 子 注 入 。 借 助 一 个 称 为 隧 道 释 放 的 工 艺 ， 擦 除 单 元 、 所 有 单 元 重 新 设 置 数 据 ， 需 要 在 源 极 和 控 制 栅 极之 间 加 入 一 个 大 电 压 差 。 该 电 压 差 通 过 一 个 集 成 电 荷 泵 得 到 ， 迫 使 浮 置 栅 极 的 电 子 释 放 ， 因此 就 擦 除 了

12、 单 元 。 NAND 闪 存 芯 片 的 工 作 电 压 为 3.3V 或 5V， 采 用 与 NOR 器 件 相 同 的 隧 道 释 放 工 艺 来 擦 除 数据 。 写 数 据 时 ， 隧 道 注 入 ， 即 量 子 隧 道 效 应 也 就 是 大 家 知 道 的 Fowler-Nordheim 隧 道 效 应 ，是 一 种 将 电 荷 载 流 子 通 过 氧 化 物 绝 缘 体 注 入 浮 置 栅 极 的 方 法 。 据 说 ， 这 种 方 法 可 以 节 省 功 率同 时 能 缩 短 写 操 作 时 间 。 NAND 和 OneNAND 闪 存 的 性 能 同 类 参 数 的 比 较

13、 如 表 所 示 。 存 储 器 局 限 性 闪 存 最 关 键 的 限 制 可 能 是 写 /擦 除 周 期 数 有 限 。 多 数 商 用 基 于 快 闪 产 品 都 保 证 能 进 行 高 达 100万 个 写 周 期 。 这 一 数 字 看 起 来 似 乎 很 大 ， 对 于 NOR 闪 存 ， 很 可 能 是 这 样 ， 因 为 将 一 个 软 件 或BIOS 保 存 很 长 时 间 可 能 没 问 题 。 不 过 ， 在 典 型 的 经 常 进 行 文 件 写 入 、 检 索 和 重 写 的 NAND应 用 中 ， 这 些 周 期 很 快 耗 完 ， 而 大 多 数 用 户 可 能

14、 不 进 行 计 数 。 对 于 频 繁 更 新 的 关 键 数 据 的 存储 ， 闪 存 可 能 不 适 合 。 为 应 对 这 种 限 制 ， 可 采 用 固 件 或 文 件 系 统 驱 动 器 ， 对 存 储 器 写 的 次 数 进 行 逐 次 计 数 。 这 些 软件 将 动 态 地 重 新 映 射 这 些 块 ， 在 扇 区 间 分 享 写 操 作 。 换 句 话 说 ， 万 一 写 操 作 失 败 ， 软 件 通 过写 验 证 和 重 新 映 射 向 未 使 用 的 扇 区 授 权 写 操 作 。 像 RAM 一 样 ， 闪 存 可 以 一 个 字 节 或 一 个 字 一 次 进

15、行 读 或 编 程 ， 但 擦 除 必 须 是 一 次 进 行 一 个 完整 的 块 ， 将 块 中 的 所 有 位 重 新 置 位 为 1。 这 意 味 着 需 要 花 更 多 时 间 进 行 编 程 。 例 如 ， 如 果 将一 位 （ 0） 写 入 一 个 块 ， 要 对 该 块 重 新 编 程 ， 就 必 须 完 全 擦 除 此 块 ， 而 不 是 仅 仅 重 写 该 位 。 闪 存 的 优 点 闪 存 的 优 点 远 远 超 过 其 局 限 性 ， 这 一 点 可 通 过 市 场 上 的 基 于 闪 存 的 产 品 及 其 受 欢 迎 度 来 得 到证 明 。 与 传 统 的 存 储

16、 器 和 存 储 器 件 一 样 ， 闪 存 的 容 量 起 初 很 小 ， 而 现 在 正 接 近 笔 记 本 电 脑 中的 硬 盘 驱 动 器 的 水 平 。 例 如 ， 大 约 在 去 年 这 个 时 候 ， 三 星 公 司 推 出 了 采 用 NAND 技 术 的 基 于其 32 MB 闪 存 芯 片 (K9F5608U0BYCB0)的 32GB 闪 存 驱 动 器 ， 此 前 不 久 ， 推 出 了 采 用 一 种40nm 工 艺 开 发 的 32Gb 芯 片 。 BiTMicro 公 司 的 Edisk 是 硬 盘 驱 动 终 端 的 另 一 个 例 子 ， 它 可在 3.5 英

17、寸 的 固 态 磁 盘 上 提 供 155 GB 的 存 储 容 量 。 存 储 卡 ， 这 种 受 人 们 欢 迎 的 用 于 数 字 相 机 和 其 他 便 携 式 产 品 的 存 储 媒 介 ， 如 今 容 量 可 以 与 被认 为 是 20 世 纪 90 年 代 末 期 最 新 的 硬 盘 驱 动 器 相 当 。 目 前 ， 1 GB 和 2 GB 容 量 已 经 替 代 了256MB 和 更 低 容 量 的 存 储 卡 。 USB 闪 存 驱 动 器 -亦 称 拇 指 驱 动 器 和 /或 袖 珍 驱 动 器 -也 一 样 。总 的 来 说 ， 闪 存 有 五 个 明 显 的 优 点

18、 ： （ 1） 体 积 小 ， 随 着 时 间 的 推 移 ， 很 可 能 会 进 一 步 缩 小 ；（ 2） 低 功 率 ； （ 3） 高 存 储 容 量 ， 随 着 时 间 的 推 移 ， 将 以 指 数 提 高 ； （ 4） 如 果 封 装 合 适 ， 几乎 不 会 毁 坏 （ 没 有 活 动 部 件 ） ； （ 5） 越 来 越 便 宜 。 闪 存 的 路 线 图 显 然 ， 闪 存 是 那 些 将 在 未 来 陪 伴 我 们 一 段 时 间 的 技 术 之 一 。 从 该 技 术 演 化 而 来 的 新 型 存 储 技术 也 露 出 了 曙 光 。 就 在 3 个 月 前 ， 多 媒

19、 体 卡 协 会 （ MMCA， MultiMediaCard Association)和 JEDEC 固 体 技 术协 会 （ JEDEC Solid State Technology Association） 同 意 选 择 eMMC， 作 为 建 立 在 共 同 的MMCA/JEDEC MMC 规 范 之 上 的 ， 为 嵌 入 式 闪 存 应 用 的 嵌 入 式 存 储 器 模 块 产 品 的 商 标 和 产 品种 类 。 eMMC 标 签 详 细 给 出 了 采 用 一 个 MMC 接 口 、 闪 存 和 一 个 控 制 器 ， 由 嵌 入 式 存 储 系 统组 成 的 架 构 ，

20、所 有 这 些 都 封 装 在 一 个 小 型 BGA 封 装 中 。 该 架 构 有 望 在 众 多 的 产 品 中 赢 得 用 户的 喜 爱 ， 这 些 产 品 包 括 工 业 产 品 、 手 机 、 导 航 系 统 、 媒 体 播 放 器 和 其 他 便 携 式 电 子 设 备 。 该 系 统 是 在 MMC 系 统 规 范 v4.1/4.2 和 JEDEC BGA 封 装 标 准 的 基 础 上 ， 规 定 了 速 度 高 达 52 MB/s 的 接 口 。 重 要 的 是 ， 该 标 准 支 持 1.8V 或 3.3V 的 接 口 电 压 ， 克 服 了 目 前 某 些 闪 存 受

21、工 作电 压 限 制 的 问 题 。 由 于 有 eMMC， 主 机 系 统 能 通 过 一 个 MMC 接 口 协 议 总 线 访 问 所 有 的 大 容 量 存 储 器 ， 包 括 存储 卡 和 硬 盘 驱 动 器 。 该 系 统 架 构 的 灵 活 性 远 远 超 过 仅 基 于 其 他 存 储 器 卡 标 准 的 架 构 的 灵 活 性 。因 此 ， 标 准 化 的 eMMC 协 议 接 口 保 持 了 复 杂 性 ， 如 NAND 闪 存 的 功 能 差 异 ， 对 于 主 机 不 可见 。 另 外 ， 因 为 eMMC 是 一 个 工 业 标 准 ， 所 以 存 储 器 元 件 有

22、 多 个 来 源 。 此 外 发 展 势 头 良 好 ， QUALCOMM 公 司 已 经 宣 布 其 采 用 三 星 公 司 的 OneNAND 闪 存 ， 用 于 所有 的 即 将 推 出 的 移 动 基 站 调 制 解 调 器 芯 片 组 。 已 经 出 现 了 多 种 支 持 该 读 /写 速 度 最 快 的 存 储 器的 芯 片 组 ， 更 多 新 兴 多 媒 体 产 品 对 其 支 持 将 很 普 遍 。 基 于 OneNAND 的 芯 片 组 的 主 要 目 标 将 是 3G 电 话 。 写 速 度 为 17MB/s 的 这 种 存 储 器 能 保 证对 超 过 HSDPA 规 定 的 连 续 数 据 流 无 线 下 载 。 除 多 媒 体 手 机 设 计 外 ， OneNAND 肯 定 是 混 合硬 盘 用 非 易 失 性 缓 冲 器 一 个 有 价 值 的 选 择 。 目 前 ， 采 用 60nm 工 艺 技 术 的 芯 片 可 提 供 高 达 2 Gb 的 存 储 容 量 ， 并 且 在 今 年 晚 些 时 候 ， 将 可 能 出 现 采 用 50nm 工 艺 技 术 容 量 达 4Gb 的 芯 片 。