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什么是NAND Flash?

什么是NAND Flash?

NAND闪存是一种非易失性存储器技术,它彻底改变了数字时代的数据存储。它是闪存的一种形式,这意味着它可以被电擦除和重新编程。NAND闪存以NAND(NOT-AND)逻辑门命名,该逻辑门用于其基本架构。术语“NAND”源自存储单元以串联连接结构的方式组织,类似于NAND门。该技术广泛用于各种存储设备,例如固态硬盘 (SSD)、USB 闪存驱动器、存储卡和智能手机。
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(左图)NAND闪存阵列的示意图。串联连接的器件的垂直string经由由drain select line(DSL)和source select line(SSL)驱动的选择晶体管附接到bitlines 和 sourceline;
(右图)阵列沿着WL方向(a)和串方向(b)的示意性横截面(绿色=硅,红色=浮栅,红色=WL,白色=氧化硅)。(c)显示了具有基本单元(虚线)的阵列布局

NAND Flash主要特点

  • 存储单元结构

NAND Flash存储器的基本存储单元是浮栅晶体管。这些晶体管可以存储一位信息(0或1),多个晶体管组合在一起形成存储单元。

  • 存取方式

NAND Flash允许随机访问,但通常以页为单位进行读取和写入操作。擦除操作则以块为单位进行。

  • 写入和擦除周期

NAND Flash可以经受数万到数十万次的写入和擦除周期,但它的寿命通常比NOR Flash要短。

  • 速度

NAND Flash的读写速度通常比NOR Flash快,这使得它更适合用于大量数据的存储。

  • 成本

由于结构相对简单,NAND Flash的单位存储成本较低,因此在大容量存储应用中更具成本效益。

  • 错误率

NAND Flash比其他类型的存储器更容易出现位错误,因此通常需要错误校正码(ECC)来确保数据的完整性。

  • 接口

NAND Flash设备通常通过I/O接口与控制器通信,支持多种接口标准,如ONFI(Open NAND Flash Interface Working Group)和Toggle Mode。

  • 应用

由于其高存储密度和成本效益,NAND Flash在消费电子、企业存储解决方案和嵌入式系统中得到了广泛应用。

NAND Flash工作原理

NAND Flash 的存储单元是一种三端器件,与场效应管类似,包含源极、漏极和栅极,栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层,用于保护浮置栅极中的电荷不会泄漏,从而使存储单元具有电荷保持能力。其擦除和写入数据基于隧道效应,即电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层,对浮置栅极进行充电(写数据)或放电(擦除数据)。
NAND Flash 通过在存储单元中存储电荷来表示数据。每个存储单元可以存储一个或多个比特的数据。在写入数据时,电子被注入到存储单元中;在读取数据时,通过检测存储单元中的电荷状态来确定存储的数据。擦除数据时,通过施加高电压将存储单元中的电荷释放掉。

NAND Flash基于浮栅晶体管,浮栅晶体管排列成网格状阵列。每个晶体管有两个栅极:一个控制栅极和一个浮动栅极。浮动栅极由氧化层电隔离,使其能够捕获电子。浮栅上电子的存在与否决定了存储单元的二进制状态,代表“0”或“1”。

读取数据
为了从NAND闪存单元读取数据,需要向控制门施加电压。如果浮栅上存在电子,晶体管将不会传导电流,表示“0”状态。如果浮栅为空,晶体管将传导电流,表示“1”状态。

写入和擦除数据
将数据写入NAND闪存单元涉及称为Fowler-Nordheim隧道的过程。对控制栅极施加高压,使电子穿过氧化层并进入浮栅,将cell设置为“0”状态。擦除数据涉及在相反方向上施加高压,从而从浮栅中去除电子,使cell回到“1”状态。

NAND闪存架构

NAND Flash 的数据是以位(bit)的方式保存在存储单元(memory cell)中,多个存储单元以 8 个或 16
个为单位连成位线(bit line),形成字节(byte)或字(word),这就是 NAND 器件的位宽。

这些位线再组成页(page),每页包含一定数量的字节,通常还有一部分额外的空间用于存储纠错码等信息。多个页又组成块(block)。NAND Flash 以页为单位进行读写操作,以块为单位进行擦除操作。

NAND闪存单元组织在一个串联的字符串中,称为NAND字符串。多个NAND串形成一个块,多个块形成一个平面。NAND闪存芯片由一个或多个平面组成。这种分层结构可实现高存储密度和快速读写操作。

NAND闪存根据每个存储单元存储的位数可分为两种主要类型:

  • Single-Level Cell(SLC)

每个存储单元存储一位数据,表示“0”或“1”。与 MLC 相比,SLC NAND 闪存提供更快的读写速度、更高的耐用性和更低的功耗。

  • Multi-Level Cell(MLC)

每个存储单元使用多个电压电平存储两个或更多位数据。与 SLC 相比,MLC NAND 闪存可实现更高的存储密度和更低的每比特成本,但代价是读取和写入速度较慢,耐久性降低。

NAND Flash发展历程

  • 诞生阶段(20 世纪 80 年代):

1987 年,时任日本东芝公司工程师岡本成之提出了 2D NAND 技术,这是 NAND Flash 的起源。当时,东芝虽然占据了市场先机,但战略重心偏向 DRAM 市场,一定程度上忽略了 NAND Flash 的发展潜力。随后,英特尔和三星等公司也迅速加入该领域,推出了自己的 2D NAND 产品。在这一阶段,NAND Flash 主要应用于一些特定的电子设备,如数字电话答录机等。

  • 小型闪存卡兴起阶段(20 世纪 90 年代 - 21 世纪初):

随着数码摄影的普及,一系列小型闪存卡应运而生,包括 PCMCIA(PC 卡)、CompactFlash、SmartMedia、MultiMediaCard(MMC)和 SecureDigital(SD)卡等,这些小型闪存卡的存储介质主要是 NAND Flash。这使得 NAND Flash 的应用范围得到了极大的扩展,市场需求也开始快速增长。

  • 市场扩张阶段(21 世纪初 - 2010 年代):

随着 NAND Flash 成本的不断降低,其应用范围进一步扩大。从数码相机扩展到了 USB 闪存驱动器,进而取代了软盘和可写 CD 等传统存储设备。同时,音频播放设备从传统的磁带和 CD 播放器转变为 MP3 播放器,也推动了 NAND Flash 的需求增长。在这一时期,NAND Flash 逐渐成为了主流的存储技术之一,市场规模不断扩大。

  • 3D NAND 技术发展阶段(2010 年代 - 至今):

技术概念
提出 2007 年,东芝推出 BICS 类型的 3D NAND,标志着 NAND Flash技术从二维平面堆叠向三维立体堆叠的转变。这种技术通过在垂直方向上堆叠存储单元,大大提高了存储密度,为 NAND Flash的进一步发展提供了新的方向。

商业化量产
2013 年,三星推出第一代 V-NAND(三星自称 3D NAND 为 V-NAND)闪存并投入量产,虽然该款堆叠层数仅为
24 层,但在当时却打破了平面技术的瓶颈,并使 3D NAND 从技术概念推向了商业市场。

层数不断增加
从 2014 年开始,各大厂商纷纷推出更高层数的 3D NAND 产品。例如,三星陆续推出了 32 层、48 层、64层、96 层、128 层、176 层等不同层数的 V-NAND;SK 海力士按照 48 层、72 层 / 76 层、96 层、128 层、176 层、238 层的顺序陆续推出闪存新产品;美光也在不断提高其 3D NAND 的层数。

技术持续演进
在 3D NAND 技术发展的过程中,厂商们还在不断改进和优化技术,以提高存储性能、降低成本。例如,长江存储自研出了Xtacking 架构,大幅度提高了存储密度。

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