闪速存贮器FLASH技术分类.docx

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闪速存贮器FLASH技术分类

闪速存贮器FLASH技术分类

  全球闪速存储器的技术主要掌握在AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技术架构的不同，分为几大阵营。

1.NOR技术

NOR技术（亦称为Linear技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。

它源于传统的EPROM器件，与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。

    NOR技术Flash Memory具有以下特点：

（1） 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；

（2）可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。

由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。

不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如CompactFlash卡中继续看好这种技术。

    Intel公司的StrataFlash家族中的最新成员——28F128J3，是迄今为止采用NOR技术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到128Mb（位），对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一种较理想的选择。

该芯片采用0.25μm制造工艺，同时采用了支持高存储容量和低成本的MLC技术。

所谓MLC技术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有4个阈电压（00/01/10/11），因此可以存储2b信息；而传统技术中，每个存储单元只有2个阈电压（0/1），只能存储1b信息。

在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价的。

Intel通过采用称为VFM（虚拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。

DINOR

    DINOR（Divided bit-line NOR）技术是Mitsubishi与Hitachi公司发展的专利技术，从一定程度上改善了NOR技术在写性能上的不足。

DINOR技术Flash Memory和NOR技术一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于NOR，而块擦除速度快于NOR。

这是因为NOR技术Flash Memory编程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动，电荷聚集，从而使电位从1变为0；擦除时，将浮栅极上聚集的电荷移开，使电位从0变为1。

而DINOR技术Flash Memory在编程和擦除操作时电荷移动方向与前者相反。

DINOR技术Flash Memory在执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除操作所需电压，这与NOR技术相反。

    尽管DINOR技术具有针对NOR技术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在当前闪速存储器市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的NOR技术相抗衡的能力。

目前DINOR技术Flash Memory的最大容量达到64Mb。

Mitsubishi公司推出的DINOR技术器件——M5M29GB/T320，采用Mitsubishi和Hitachi的专利BGO技术，将闪速存储器分为四个存储区，在向其中任何一个存储区进行编程或擦除操作的同时，可以对其它三个存储区中的一个进行读操作，用硬件方式实现了在读操作的同时进行编程和擦除操作，而无须外接EEPROM。

由于有多条存取通道，因而提高了系统速度。

该芯片采用0.25μm制造工艺，不仅快速读取速度达到80ns，而且拥有先进的省电性能。

在待机和自动省电模式下仅有033μW功耗，当任何地址线或片使能信号200ns保持不变时，即进入自动省电模式。

对于功耗有严格限制和有快速读取要求的应用，如数字蜂窝电话、汽车导航和全球定位系统、掌上电脑和顶置盒、便携式电脑、个人数字助理、无线通信等领域中可以一展身手。

2.NAND技术

Samsung、Toshiba和Fujitsu支持NAND技术Flash Memory。

这种结构的闪速存储器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。

    NAND技术Flash Memory具有以下特点：

（1）以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB。

具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。

（2）数据、地址采用同一总线，实现串行读取。

随机读取速度慢且不能按字节随机编程。

（3）芯片尺寸小，引脚少，是位成本（bit cost）最低的固态存储器，将很快突破每兆字节1美元的价格限制。

（4）芯片包含有失效块，其数目最大可达到3~35块（取决于存储器密度）。

失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。

Samsung公司在1999年底开发出世界上第一颗1Gb NAND技术闪速存储器。

据称这种Flash Memory可以存储560张高分辨率的照片或32首CD质量的歌曲，将成为下一代便携式信息产品的理想媒介。

Samsung采用了许多DRAM的工艺技术，包括首次采用0.15μm的制造工艺来生产这颗Flash。

已经批量生产的K9K1208UOM采用0.18μm工艺，存储容量为512Mb。

UltraNAND

    AMD与Fujitsu共同推出的UltraNAND技术，称之为先进的NAND闪速存储器技术。

它与NAND标准兼容：

拥有比NAND技术更高等级的可靠性；可用来存储代码，从而首次在代码存储的应用中体现出NAND技术的成本优势；它没有失效块，因此不用系统级的查错和校正功能，能更有效地利用存储器容量。

    与DINOR技术一样，尽管UltraNAND技术具有优势，但在当前的市场上仍以NAND技术为主流。

UltraNAND 家族的第一个成员是AM30LV0064，采用0.25μm制造工艺，没有失效块，可在至少104次擦写周期中实现无差错操作，适用于要求高可靠性的场合，如电信和网络系统、个人数字助理、固态盘驱动器等。

研制中的AM30LV0128容量达到128Mb，而在AMD的计划中UltraNAND技术Flas

3.AND技术

AND技术是Hitachi公司的专利技术。

Hitachi和Mitsubishi共同支持AND技术的Flash Memory。

AND技术与NAND一样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。

    Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18μm的制造工艺，并结合MLC技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用双密度封装技术DDP（Double Density Package Technology），将2片512Mb芯片叠加在1片TSOP48的封装内，形成一片1Gb芯片。

HN29V51211T具有突出的低功耗特性，读电流为2mA，待机电流仅为1μA，同时由于其内部存在与块大小一致的内部RAM 缓冲区，使得AND技术不像其他采用MLC的闪速存储器技术那样写入性能严重下降。

Hitachi公司用该芯片制造128MB的MultiMedia卡和2MB的PC-ATA卡，用于智能电话、个人数字助理、掌上电脑、数字相机、便携式摄像机、便携式音乐播放机等。

4.由EEPROM派生的闪速存储器

EEPROM具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。

部分制造商生产出另一类以EEPROM做闪速存储阵列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存储器（Data-Flash Memory）。

这类器件具有EEPROM与NOR技术Flash Memory二者折衷的性能特点：

（1）读写的灵活性逊于EEPROM，不能直接改写数据。

在编程之前需要先进行页擦除，但与NOR技术Flash Memory的块结构相比其页尺寸小，具有快速随机读取和快编程、快擦除的特点。

（2）与EEPROM比较，具有明显的成本优势。

（3）存储密度比EEPROM大，但比NOR技术Flash Memory小，如Small Sector Flash Memory的存储密度可达到4Mb，而32Mb的DataFlash Memory芯片有试用样品提供。

正因为这类器件在性能上的灵活性和成本上的优势，使其在如今闪速存储器市场上仍占有一席之地。

    Small Sector Flash Memory采用并行数据总线和页结构（1页为128或256B），对页执行读写操作，因而既具有NOR技术快速随机读取的优势，又没有其编程和擦除功能的缺陷，适合代码存储和小容量的数据存储，广泛地用以替代EPROM。

    DataFlash Memory是ATMEL的专利产品，采用SPI串行接口，只能依次读取数据，但有利于降低成本、增加系统的可靠性、缩小封装尺寸。

主存储区采取页结构。

主存储区与串行接口之间有2个与页大小一致的SRAM数据缓冲区。

特殊的结构决定它存在多条读写通道：

既可直接从主存储区读，又可通过缓冲区从主存储区读或向主存储区写，两个缓冲区之间可以相互读或写，主存储区还可借助缓冲区进行数据比较。

适合于诸如答录机、寻呼机、数字相机等能接受串行接口和较慢读取速度的数据或文件存储应用。

 Memory将突破每兆字节1美元的价格限制，更显示出它对于NOR技术的价格优势。

5.闪存的概念

闪存（flashmemory）是一种长寿命的非易失性（在断电情况下仍能保持所存储的数据信息）的存储器，数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位，区块大小一般为256KB到20MB。

闪存是电子可擦除只读存储器（EEPROM）的变种，EEPROM与闪存不同的是，它能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写，这样闪存就比EEPROM的更新速度快。

由于其断电时仍能保存数据，闪存通常被用来保存设置信息，如在电脑的BIOS（基本输入输出程序）、PDA（个人数字助理）、数码相机中保存资料等。

另一方面，闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节为单位改写数据，因此不能取代RAM。

闪存卡（FlashCard）是利用闪存（FlashMemory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。

根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有SmartMedia（SM卡）、CompactFlash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、SecureDigital（SD卡）、MemoryStick（记忆棒）、XD-PictureCard（XD卡）和微硬盘（MICRODRIVE）这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。

【技术及特点】

NOR型与NAND型闪存的区别很大，打个比方说，NOR型闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而NAND型更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，而且NAND型与NOR型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。

因此，NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大；NAND型闪存主要用来存储资料，我们常用的闪存产品，如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。

这里我们还需要端正一个概念，那就是闪存的速度其实很有限，它本身操作速度、频率就比内存低得多，而且NAND型闪存类似硬盘的操作方式效率也比内存的直接访问方式慢得多。

因此，不要以为闪存盘的性能瓶颈是在接口，甚至想当然地认为闪存盘采用USB2.0接口之后会获得巨大的性能提升。

前面提到NAND型闪存的操作方式效率低，这和它的架构设计和接口设计有关，它操作起来确实挺像硬盘（其实NAND型闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性），它的性能特点也很像硬盘：

小数据块操作速度很慢，而大数据块速度就很快，这种差异远比其他存储介质大的多。

这种性能特点非常值得我们留意。

闪存存取比较快速，无噪音，散热小。

你买的话其实可以不考虑那么多，同样存储空间买闪存。

如果硬盘空间大就买硬盘，也可以满足你应用的需求。

【闪存的分类】

•目前市场上常见的存储按种类可分：

U盘

CF卡

SM卡

SD/MMC卡

记忆棒

•国内市场常见的品牌有：

1　金士顿、索尼、晟碟、Kingmax、鹰泰、创见。

【NAND型闪存】内存和NOR型闪存的基本存储单元是bit，用户可以随机访问任何一个bit的信息。

而NAND型闪存的基本存储单元是页（Page）（可以看到，NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区，硬盘的一个扇区也为512字节）。

每一页的有效容量是512字节的倍数。

所谓的有效容量是指用于数据存储的部分，实际上还要加上16字节的校验信息，因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到“（512+16）Byte”的表示方式。

目前2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是（512+16）字节的页面容量，2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到（2048+64）字节。

NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。

闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。

一般每个块包含32个512字节的页，容量16KB；而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。

每颗NAND型闪存的I/O接口一般是8条，每条数据线每次传输（512+16）bit信息，8条就是（512+16）×8bit，也就是前面说的512字节。

但较大容量的NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计，如三星编号K9K1G16U0A的芯片就是64M×16bit的NAND型闪存，容量1Gb，基本数据单位是（256+8）×16bit，还是512字节。

寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。

由于闪存芯片容量比较大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。

NAND的地址信息包括列地址（页面中的起始操作地址）、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。

随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。

而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。

决定NAND型闪存的因素有哪些？

1．页数量

前面已经提到，越大容量闪存的页越多、页越大，寻址时间越长。

但这个时间的延长不是线性关系，而是一个一个的台阶变化的。

譬如128、256Mb的芯片需要3个周期传送地址信号，512Mb、1Gb的需要4个周期，而2、4Gb的需要5个周期。

2．页容量

每一页的容量决定了一次可以传输的数据量，因此大容量的页有更好的性能。

前面提到大容量闪存（4Gb）提高了页的容量，从512字节提高到2KB。

页容量的提高不但易于提高容量，更可以提高传输性能。

我们可以举例子说明。

以三星K9K1G08U0M和K9K4G08U0M为例，前者为1Gb，512字节页容量，随机读（稳定）时间12μs，写时间为200μs；后者为4Gb，2KB页容量，随机读（稳定）时间25μs，写时间为300μs。

假设它们工作在20MHz。

读取性能：

NAND型闪存的读取步骤分为：

发送命令和寻址信息→将数据传向页面寄存器（随机读稳定时间）→数据传出（每周期8bit，需要传送512+16或2K+64次）。

K9K1G08U0M读一个页需要：

5个命令、寻址周期×50ns+12μs+（512+16）×50ns=38.7μs；K9K1G08U0M实际读传输率：

512字节÷38.7μs=13.2MB/s；K9K4G08U0M读一个页需要：

6个命令、寻址周期×50ns+25μs+（2K+64）×50ns=131.1μs；K9K4G08U0M实际读传输率：

2KB字节÷131.1μs=15.6MB/s。

因此，采用2KB页容量比512字节也容量约提高读性能20%。

写入性能：

NAND型闪存的写步骤分为：

发送寻址信息→将数据传向页面寄存器→发送命令信息→数据从寄存器写入页面。

其中命令周期也是一个，我们下面将其和寻址周期合并，但这两个部分并非连续的。

K9K1G08U0M写一个页需要：

5个命令、寻址周期×50ns+（512+16）×50ns+200μs=226.7μs。

K9K1G08U0M实际写传输率：

512字节÷226.7μs=2.2MB/s。

K9K4G08U0M写一个页需要：

6个命令、寻址周期×50ns+（2K+64）×50ns+300μs=405.9μs。

K9K4G08U0M实际写传输率：

2112字节/405.9μs=5MB/s。

因此，采用2KB页容量比512字节页容量提高写性能两倍以上。

块容量

块是擦除操作的基本单位，由于每个块的擦除时间几乎相同（擦除操作一般需要2ms，而之前若干周期的命令和地址信息占用的时间可以忽略不计），块的容量将直接决定擦除性能。

大容量NAND型闪存的页容量提高，而每个块的页数量也有所提高，一般4Gb芯片的块容量为2KB×64个页=128KB，1Gb芯片的为512字节×32个页=16KB。

可以看出，在相同时间之内，前者的擦速度为后者8倍！

4．I/O位宽!

以往NAND型闪存的数据线一般为8条，不过从256Mb产品开始，就有16条数据线的产品出现了。

但由于控制器等方面的原因，x16芯片实际应用的相对比较少，但将来数量上还是会呈上升趋势的。

虽然x16的芯片在传送数据和地址信息时仍采用8位一组，占用的周期也不变，但传送数据时就以16位为一组，带宽增加一倍。

K9K4G16U0M就是典型的64M×16芯片，它每页仍为2KB，但结构为（1K+32）×16bit。

.

模仿上面的计算，我们得到如下。

K9K4G16U0M读一个页需要：

6个命令、寻址周期×50ns+25μs+（1K+32）×50ns=78.1μs。

K9K4G16U0M实际读传输率：

2KB字节÷78.1μs=26.2MB/s。

K9K4G16U0M写一个页需要：

6个命令、寻址周期×50ns+（1K+32）×50ns+300μs=353.1μs。

K9K4G16U0M实际写传输率：

2KB字节÷353.1μs=5.8MB/s

可以看到，相同容量的芯片，将数据线增加到16条后，读性能提高近70%，写性能也提高16%。

5．频率

工作频率的影响很容易理解。

NAND型闪存的工作频率在20～33MHz，频率越高性能越好。

前面以K9K4G08U0M为例时，我们假设频率为20MHz，如果我们将频率提高一倍，达到40MHz，则K9K4G08U0M读一个页需要：

6个命令、寻址周期×25ns+25μs+（2K+64）×25ns=78μs。

K9K4G08U0M实际读传输率：

2KB字节÷78μs=26.3MB/s。

可以看到，如果K9K4G08U0M的工作频率从20MHz提高到40MHz，读性能可以提高近70%！

当然，上面的例子只是为了方便计算而已。

在三星实际的产品线中，可工作在较高频率下的应是K9XXG08UXM，而不是K9XXG08U0M，前者的频率目前可达33MHz。

6制造工艺

制造工艺可以影响晶体管的密度，也对一些操作的时间有影响。

譬如前面提到的写稳定和读稳定时间，它们在我们的计算当中占去了时间的重要部分，尤其是写入时。

如果能够降低这些时间，就可以进一步提高性能。

90nm的制造工艺能够改进性能吗？

答案恐怕是否！

目前的实际情况是，随着存储密度的提高，需要的读、写稳定时间是呈现上升趋势的。

前面的计算所举的例子中就体现了这种趋势，否则4Gb芯片的性能提升更加明显。

综合来看，大容量的NAND型闪存芯片虽然寻址、操作时间会略长，但随着页容量的提高，有效传输率还是会大一些，大容量的芯片符合市场对容量、成本和性能的需求趋势。

而增加数据线和提高频率，则是提高性能的最有效途径，但由于命令、地址信息占用操作周期，以及一些固定操作时间（如信号稳定时间等）等工艺、物理因素的影响，它们不会带来同比的性能提升。

其中：

A0～11对页内进行寻址，可以被理解为“列地址”。

A12～29对页进行寻址，可以被理解为“行地址”。

为了方便，“列地址”和“行地址”分为两组传输，而不是将它们直接组合起来一个大组。

因此每组在最后一个周期会有若干数据线无信息传输。

没有利用的数据线保持低电平。

NAND型闪存所谓的“行地址”和“列地址”不是我们在DRAM、SRAM中所熟悉的定义，只是一种相对方便的表达方式而已。

为了便于理解，我们可以将上面三维的NAND型闪存芯片架构图在垂直方向做一个剖面，在这个剖面中套用二维的“行”、“列”概念就比较直观了。

【应用及前景】

“优盘”是闪存走进日常生活的最明显写照，其实早在U盘之前，闪存已经出现在许多电子产品之中。

传统的存储数据方式是采用RAM的易失存储，电池没电了数据就会丢失。

采用闪存的产品，克服了这一毛病，使得数据存储更为可靠。

除了闪存盘，闪存还被应用在计算机中的BIOS、PDA、数码相机、录音笔、手机、数字电视、游戏机等电子产品中。

追溯到1998年，优盘进入市场。

接口由USB1.0发展到2.0，速度逐渐提高。

U盘的盛行还间接促进了USB接口的推广。

为什么U盘这么受到人们欢迎呢？

闪存盘可用来在电脑之间交换数据。

从容量上讲，闪存盘的容量从16MB到2GB可选，突破了软驱1.44MB的局限性。

从读写速度上讲，闪存盘采用USB接口，读写速度比软盘高许多。

从稳定性上讲，闪存盘没有机械读写装置，避免了移动硬盘容易碰伤、跌落等原因造成的损坏。

部分款式闪存盘具有加密等功能，令用户使用更具个性化。

闪存盘外形小巧，更易于携带。

且采用支持热插拔的USB接口，使用非常方便。

目前，闪存正朝大容量、低功耗、低成本的方向发展。

与传统硬盘相比，闪存的读写速度高、功耗较低，目前市场上已经出现了闪存硬盘。

随着制造工艺的提高、成本的降低，闪存将更多地出现在日常生活之中。

【与硬盘区别】如果单从储存介质上来说，闪存比硬盘好。

但并不是音质上的好，是指数据传输的速度还有抗震度来说（闪存不存在抗震）。

要对比两者之间的优劣并不难，首先理解什么是数码，知道什么是数码信号之后就该清楚数码信号通常是不受储存介质干扰的。

（忽略音频流文件的误码，硬盘和闪存在这个方面可以忽略，光盘不同。

）硬盘和闪存的数据准确性都很高，在同样的测试条件下（相同解码相同输出），两者音质肯定是一样的。

对于随身听来说，赞同闪存式。

优点：

1.闪存的随身听小。

并不是说闪存的集成度就一定会高。

微硬盘做的这么大一块主要原因就是微硬盘不能做的小过闪存，并不代表微硬盘的集成度就不高。

再说，集成度高并不能代表音质一定下降。

MD就是一个例子。