非易失性存儲(chǔ)器主導(dǎo)閃存發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

　　NAND和NOR閃存主導(dǎo)著固態(tài)非易失性存儲(chǔ)器（NVM）市場(chǎng)，但是這些閃存并不是唯一可用的技術(shù)。不會(huì)明確地暴露閃存的外形尺寸是使用非閃存技術(shù)來(lái)替代的可能目標(biāo)。比如，非閃存產(chǎn)品正在串行存儲(chǔ)領(lǐng)域中暫露頭角。

　　圖1：閃存具有各種外形尺寸，包括SecureDigital（a）、MicroSD（b）、Sony記憶棒（c）、緊湊型閃存（d）和mSATA（e）。它們一般都采用NAND閃存

　　非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器

　　一方面是一次性可編程（OTP）存儲(chǔ)器?，F(xiàn)在，OTP存儲(chǔ)器一般用來(lái)保存安全密鑰或網(wǎng)絡(luò)ID。它是采用諸如熔絲、反熔絲和浮柵等各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。這種存儲(chǔ)器還可以采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　帶動(dòng)NVM規(guī)模的是各種多次可編程（MTP）存儲(chǔ)器技術(shù)，這類技術(shù)可以寫入上百次甚至上千次。MTP存儲(chǔ)器一般用來(lái)實(shí)現(xiàn)很少更改的啟動(dòng)代碼。與OTP一樣，MTP一般是采用CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，這樣就可以用在數(shù)字邏輯中。

　　浮柵EEPROM已經(jīng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中得到普遍的應(yīng)用。由于具有寫入單字節(jié)的能力、良好的耐力和數(shù)據(jù)保持能力，浮柵EEPROM已經(jīng)相當(dāng)流行，但是閃存技術(shù)在密度上遠(yuǎn)勝于浮柵EEPROM。EEPROM仿真常常被視為某些閃存實(shí)現(xiàn)方案的一種功能，它可以隱藏閃存的塊擦除要求，以便能夠?qū)懭雴蝹€(gè)字節(jié)。

　　其他的非易失性技術(shù)正在不斷地提升閃存的優(yōu)勢(shì)，包括磁阻RAM（MRAM）、鐵電RAM （FRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）以及前途無(wú)量的NVM技術(shù)。與NAND和NOR閃存等其他NVM技術(shù)相比，這些技術(shù)都具有更高的總體性能，包括寫入速度、電壓要求、缺少頁(yè)面擦除周期、長(zhǎng)期耐用性、數(shù)據(jù)保持能力和可擴(kuò)展性。

　　這些技術(shù)開始是針對(duì)利基市場(chǎng)，在這種市場(chǎng)中，成本高一點(diǎn)并沒(méi)有什么問(wèn)題（至少在初期階段是這樣），其優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯。它們甚至?xí)l(fā)SRAM與DRAM之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)。

　　德州儀器（TI）公司的16位MSP430FR57xx系列以其高達(dá)16 kB的用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和程序存儲(chǔ)的FRAM而著稱。該系列存儲(chǔ)器具有代表性地融合了SRAM、閃存和EEPROM存儲(chǔ)器。單個(gè)方案就可以降低庫(kù)存單位（SKU）數(shù)，并簡(jiǎn)化開發(fā)人員的工作，使他們不再需要應(yīng)付程序存儲(chǔ)的RAM要求。

　　今后，這些可供選擇的NVM技術(shù)將在更多的設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。不過(guò)現(xiàn)在，閃存仍是主導(dǎo)的NVM技術(shù)。

閃存技術(shù)

　　閃存實(shí)現(xiàn)方案可以分成NAND和NOR方案，不同的供應(yīng)商提供的方案各有不同。他們一般采用浮柵晶體管。這兩種技術(shù)都表明了晶體管是如何連接和使用的，而不是將晶體管作為數(shù)字邏輯的一部分與FPGA或定制邏輯整合在一起。

　　NOR閃存晶體管接地和位線，這樣就可以訪問(wèn)單個(gè)位。與NAND閃存相比，它具有更好的耐寫性能。NOR閃存一般用在有代碼和數(shù)據(jù)的應(yīng)用中。帶片上閃存的微控制器一般都會(huì)整合NOR閃存。

　　NAND閃存晶體管一般是成組連接至字線。這就可以實(shí)現(xiàn)比NOR閃存更高的密度。NAND閃存一般用于面向塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。從晶體管的角度來(lái)看，NAND閃存不如NOR閃存可靠，因此NAND存儲(chǔ)平臺(tái)就需要使用錯(cuò)誤檢測(cè)和校正硬件或軟件。NAND閃存一般用于高容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

　　閃存使用擦寫周期。擦除本質(zhì)上是將閃存設(shè)置為1。寫入則是將位設(shè)置為0，只要現(xiàn)有的1被改為0，就可以寫入不同的數(shù)據(jù)。由于允許在沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間的耗電擦除周期的情況下執(zhí)行操作，因此閃存文件系統(tǒng)可以充分利用這種特性。NAND閃存一般工作在塊級(jí)別，而NOR可訪問(wèn)更加精細(xì)的級(jí)別。

　　閃存從單級(jí)單元（SLC）數(shù)據(jù)編碼開始，每個(gè)存儲(chǔ)晶體管對(duì)1或0進(jìn)行編碼。多級(jí)單元（MLC）閃存一般是指每單元存儲(chǔ)2位（而不是1位）信息的能力。在晶體管級(jí)，所有的信息都是模擬的，不過(guò)與構(gòu)建MLC閃存所需要的四級(jí)檢測(cè)電路相比，構(gòu)建一個(gè)兩級(jí)檢測(cè)電路更加簡(jiǎn)單。

　　同樣，對(duì)MLC單元進(jìn)行編程需要有產(chǎn)生四個(gè)不同級(jí)的能力。三級(jí)單元（TLC）閃存則更進(jìn)了一步，這種閃存將3位或八級(jí)裝入單個(gè)存儲(chǔ)單元中，比如美光（Micron）公司的3位34nm NAND閃存芯片。

　　MLC或TLC存儲(chǔ)器的明顯優(yōu)勢(shì)是密度更高。其通常會(huì)在性能上作出折衷，尤其是耐寫性能方面。

　　典型的SLC NAND閃存的可寫次數(shù)為10萬(wàn)次，而SLC NOR閃存的可寫次數(shù)為100萬(wàn)次。MLC閃存的可寫次數(shù)則僅為上述次數(shù)的10分之一，TLC閃存的可寫次數(shù)則更少。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些可寫次數(shù)在不斷地增加。SLC具有更好的耐寫性能，而MLC和TLC的成本效益將更高。

　　閃存系統(tǒng)的使用壽命取決于多重因素，包括其托管方式。如果一個(gè)區(qū)域出現(xiàn)耗損時(shí)（即出現(xiàn)寫入失敗，無(wú)法保存正確的信息的情況時(shí)），非托管型閃存就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。錯(cuò)誤檢測(cè)系統(tǒng)有助于確定何時(shí)出現(xiàn)這種情況，不過(guò)一旦出現(xiàn)這種情況，設(shè)備一般也毫無(wú)用處了。更糟糕的是，其失效可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)多的問(wèn)題。這也就是為什么帶有內(nèi)置閃存（無(wú)法跟蹤耗損情況）的微控制器等器件依賴于可寫次數(shù)較高的NOR閃存的原因。

　　有多種方法可以用來(lái)提高總系統(tǒng)壽命，比如耗損均衡。這種方法需要重新映射信息位置的能力。該方法對(duì)于面向塊的器件最有效，盡管它可以應(yīng)用到塊大小的單個(gè)字中。實(shí)現(xiàn)耗損均衡會(huì)引起開銷，因此塊尺寸較大的話，效率就會(huì)更高。

　　耗損均衡可將寫入操作分布在存儲(chǔ)設(shè)備中。系統(tǒng)的使用壽命可以視為系統(tǒng)的總寫入容量，而不是單個(gè)塊的最大值。耗損均衡需要跟蹤塊寫入使用情況以及記錄和利用該信息的能力。如果出現(xiàn)缺陷的話，塊的使用壽命往往會(huì)縮短至不到其建議的寫入壽命。

　　在這種情況下，如果存儲(chǔ)器被超額配置的話，則可以使用重新映射機(jī)制。額外的塊或扇區(qū)在硬盤驅(qū)動(dòng)器上很常見(jiàn)，對(duì)閃存可以采用同樣的方法。唯一的區(qū)別是，如果在規(guī)則的塊中檢測(cè)到不可校正的錯(cuò)誤，那么就會(huì)使用額外的塊。

　　使用耗損均衡之后，所有的塊往往就都是存儲(chǔ)池的一部分。如果系統(tǒng)是以軟件方式實(shí)現(xiàn)的，也可以根據(jù)系統(tǒng)所需的使用壽命來(lái)選擇邏輯設(shè)備尺寸。邏輯尺寸越小，出現(xiàn)的“額外”塊越多。

　　像FRAM、MRAM和PCM等其他一些技術(shù)不會(huì)出現(xiàn)與閃存一樣的耐寫能力問(wèn)題。但是仍然可以使用諸如存儲(chǔ)器過(guò)度配置和重新映射等技術(shù)，特別是在硬件缺陷等其他錯(cuò)誤可能比較常見(jiàn)的大型設(shè)備中。

　　閃存軟件和控制器

　　對(duì)閃存的受控訪問(wèn)使軟件可以忽略從擦除要求到耐寫能力等一系列支持閃存的問(wèn)題。在哪里以及以何種方式實(shí)現(xiàn)這種控制差別很大。

　　閃存文件系統(tǒng)是開發(fā)人員處理原始閃存的一種方法。這些系統(tǒng)是可訪問(wèn)閃存芯片接口的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器。明顯地，相對(duì)于操作系統(tǒng)和應(yīng)用而言，驅(qū)動(dòng)器處理所有的閃存常規(guī)工作，如錯(cuò)誤檢測(cè)、耗損均衡和壞塊重新映射。它可以將部分閃存用于內(nèi)部表，并負(fù)責(zé)說(shuō)明閃存擦除和寫入特性。

　　驅(qū)動(dòng)器可以提供一定的文件和目錄管理功能，或者只代表一個(gè)低級(jí)邏輯塊器件。這兩種方法有各自的優(yōu)勢(shì)，需根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來(lái)選擇。

　　采用硬件方案時(shí)，一般會(huì)提供塊級(jí)接口。由于軟件方案一般無(wú)法提供硬件加速，因此硬件方案還可以整合更具魯棒性的糾錯(cuò)和映射系統(tǒng)。早期階段出現(xiàn)過(guò)眾多閃存控制器公司，不過(guò)現(xiàn)在它們都已經(jīng)被致力于提供集成度更高的方案的閃存公司收購(gòu)了。

　　將閃存放在硬件控制器后面可以起很大的作用。比如，它可以簡(jiǎn)化設(shè)備接口、提供諸如降低功耗（包括各種休眠模式）等更加先進(jìn)的功能，并實(shí)現(xiàn)混合存儲(chǔ)系統(tǒng)。

　　混合系統(tǒng)可在同一封裝中整合不同類型的存儲(chǔ)器。這種方法可以通過(guò)在混合系統(tǒng)中增加RAM，從而使NAND閃存等塊設(shè)備能夠在比特級(jí)或文字級(jí)進(jìn)行訪問(wèn)。三星（Samsung）的OneNAND將SRAM與其NAND閃存控制器整合在一起。該方案可使系統(tǒng)用作程序存儲(chǔ)器，并根據(jù)需要在SRAM中對(duì)塊設(shè)備進(jìn)行緩存。

　　此外，RAM的速度也比閃存快，特別是寫入速度方面。它也不受閃存耐寫能力限制的影響。并且RAM不受塊訪問(wèn)的限制。作為一般緩存系統(tǒng)使用時(shí)，混合系統(tǒng)兼具閃存和RAM的諸多優(yōu)勢(shì)。由于在這類設(shè)計(jì)中閃存往往比RAM更多，因此必要時(shí)數(shù)據(jù)需從RAM中轉(zhuǎn)入閃存中。

　　希捷公司（Seagate）推出的Momentus XT硬盤驅(qū)動(dòng)器表明，混合系統(tǒng)可以變得更加復(fù)雜。該存儲(chǔ)系統(tǒng)整合了三種存儲(chǔ)器：DRAM、SLC閃存和旋轉(zhuǎn)磁性存儲(chǔ)器。它具有SATA接口，因此除了閃存和硬盤