閃存分類和關(guān)鍵參數(shù)必讀

除無需外部電源（非易失性）存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和可寫、擦除信息的功能外，隨著讀/寫操作更快，且成本更低的新型存儲(chǔ)器的出現(xiàn)，EEPROM和ROM不再那么普遍了。Masuoka博士的同事Shoji Ariizumi將新存儲(chǔ)器的擦除速度比作照相機(jī)的快閃，雖然它沒有RAM快，但這一比較形象而吸引人，快閃存儲(chǔ)器因而得名。

在那一年晚些時(shí)候，在加州圣何塞召開的“IEEE 1984國際電子器件會(huì)議”上，閃存首次亮相。預(yù)測到該技術(shù)的好處和經(jīng)濟(jì)生命力后，Intel公司于1988年推出了首款商用NOR型閃存芯片。如今，閃存廣泛地應(yīng)用在大容量消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，如數(shù)字音頻播放器、照相機(jī)、手機(jī)、USB驅(qū)動(dòng)、存儲(chǔ)卡和視頻游戲，以及如嵌入式系統(tǒng)和集成在微控制器中的復(fù)雜設(shè)計(jì)。

閃存的分類

閃存由門組成，基本上有兩種類型：NOR和NAND。在工作上，NOR存儲(chǔ)器用作如計(jì)算機(jī)里典型的RAM操作，允許直接存取單個(gè)字節(jié)或者多字節(jié)空間，不管他們在存儲(chǔ)空間中的位置如何。在用途方面，NOR閃存可以用于存儲(chǔ)元件的專用軟件，如路由器固件或計(jì)算機(jī)的BIOS。NOR閃存規(guī)定的工作壽命約為100,000次寫周期，超過此壽命后會(huì)出現(xiàn)壞區(qū)。

在Intel展出首款NOR閃存器件后大約一年，東芝公司開發(fā)了NAND閃存，該閃存依靠閃存轉(zhuǎn)化軟件使器件成為類似操作系統(tǒng)的硬盤驅(qū)動(dòng)器。這種閃存與其NOR對(duì)手相比，有三個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：壽命長，為100萬次讀/寫周期；讀/寫操作更快；成本更低。另外，NAND閃存能夠保留更大的數(shù)據(jù)塊，進(jìn)行長時(shí)間或短時(shí)間存儲(chǔ)。NAND器件對(duì)存儲(chǔ)由產(chǎn)品收集或下載到產(chǎn)品的數(shù)據(jù)更有用，如數(shù)據(jù)記錄儀的信息、數(shù)碼相機(jī)的照片/視頻、MP3播放器的音樂文件，等等。

更新出現(xiàn)的第三種類型的閃存是OneNAND閃存，由Samsung開發(fā)，支持更快速數(shù)據(jù)吞吐和更高的密度，這兩點(diǎn)是滿足高分辨率攝影、視頻和其他媒體應(yīng)用的兩個(gè)主要要求。OneNAND可看作NOR和NAND技術(shù)的一種混合。從本質(zhì)上來講，一個(gè)單獨(dú)的OneNAND芯片集成了一個(gè)NOR閃存接口，NAND閃存控制器邏輯、一個(gè)NAND閃存陣列，以及高達(dá)5 KB的緩沖RAM。至于速度，它能以高達(dá)108 MB/s的持續(xù)讀數(shù)據(jù)率傳輸。

OneNAND器件有兩種類型：muxed和demuxed。對(duì)于muxed型，地址引腳和數(shù)據(jù)引腳結(jié)合在一起，而demuxed型芯片這兩個(gè)引腳是分開的。當(dāng)關(guān)注的是減少引腳數(shù)時(shí)，選擇muxed OneNAND可能好一些。另外，muxed OneNAND只工作在1.8V，demuxed的密度較低，不到1 Gbit，demuxed有1.8V 和3.3V兩種選擇。如果muxed或demuxed器件的密度超過1 Gbit，則只能選擇1.8V的工作電壓。

總之，NOR閃存適合代碼存儲(chǔ)，就是說，固件、器件應(yīng)用等，而NAND閃存處理存儲(chǔ)量大的類似于硬盤驅(qū)動(dòng)的例行工作。OneNAND閃存兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)都具備， 它能勝任代碼和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)效率更高。

基本的閃存工作

各類閃存都包含大量單元，每個(gè)單元都是一組浮置柵極晶體管陣列。早期的閃存器件每個(gè)單元存儲(chǔ)1位信息。不過，經(jīng)過不斷發(fā)展已經(jīng)出現(xiàn)了多級(jí)單元器件，通過使用兩級(jí)以上的電荷，這些多級(jí)單元器件的存儲(chǔ)量超過了每單元1位。

典型的NOR單元看起來類似兩個(gè)柵極的MOSFET：一個(gè)控制柵極和一個(gè)浮置柵極，有一層氧化物將兩者分開。浮置柵極在襯底和控制柵極之間，數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)于此。當(dāng)電流從源極流至漏極時(shí)，在控制柵極產(chǎn)生一個(gè)高壓，就對(duì)NOR單元編程。當(dāng)此高壓達(dá)到適當(dāng)?shù)乃?，電子（?shù)據(jù)）流向浮置柵極，在此借助于絕緣層數(shù)據(jù)得以保存。這一過程稱作熱電子注入。

借助一個(gè)稱為隧道釋放的工藝，擦除單元、所有單元重新設(shè)置數(shù)據(jù)，需要在源極和控制柵極之間加入一個(gè)大電壓差。該電壓差通過一個(gè)集成電荷泵得到，迫使浮置柵極的電子釋放，因此就擦除了單元。

NAND 閃存芯片的工作電壓為3.3V 或5V，采用與NOR器件相同的隧道釋放工藝來擦除數(shù)據(jù)。寫數(shù)據(jù)時(shí)，隧道注入，即量子隧道效應(yīng)也就是大家知道的Fowler-Nordheim隧道效應(yīng)，是一種將電荷載流子通過氧化物絕緣體注入浮置柵極的方法。據(jù)說，這種方法可以節(jié)省功率同時(shí)能縮短寫操作時(shí)間。NAND和OneNAND閃存的性能同類參數(shù)的比較如表所示。

存儲(chǔ)器局限性

閃存最關(guān)鍵的限制可能是寫/擦除周期數(shù)有限。多數(shù)商用基于快閃產(chǎn)品都保證能進(jìn)行高達(dá)100萬個(gè)寫周期。這一數(shù)字看起來似乎很大，對(duì)于NOR閃存，很可能是這樣，因?yàn)閷⒁粋€(gè)軟件或BIOS保存很長時(shí)間可能沒問題。不過，在典型的經(jīng)常進(jìn)行文件寫入、檢索和重寫的NAND應(yīng)用中，這些周期很快耗完，而大多數(shù)用戶可能不進(jìn)行計(jì)數(shù)。對(duì)于頻繁更新的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，閃存可能不適合。

為應(yīng)對(duì)這種限制，可采用固件或文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，對(duì)存儲(chǔ)器寫的次數(shù)進(jìn)行逐次計(jì)數(shù)。這些軟件將動(dòng)態(tài)地重新映射這些塊，在扇區(qū)間分享寫操作。換句話說，萬一寫操作失敗，軟件通過寫驗(yàn)證和重新映射向未使用的扇區(qū)授權(quán)寫操作。

像RAM一樣，閃存可以一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字一次進(jìn)行讀或編程，但擦除必須是一次進(jìn)行一個(gè)完整的塊，將塊中的所有位重新置位為1。這意味著需要花更多時(shí)間進(jìn)行編程。例如，如果將一位（0）寫入一個(gè)塊，要對(duì)該塊重新編程，就必須完全擦除此塊，而不是僅僅重寫該位。

閃存的優(yōu)點(diǎn)

閃存的優(yōu)點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其局限性，這一點(diǎn)可通過市場上的基于閃存的產(chǎn)品及其受歡迎度來得到證明。與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件一樣，閃存的容量起初很小，而現(xiàn)在正接近筆記本電腦中的硬盤驅(qū)動(dòng)器的水平。例如，大約在去年這個(gè)時(shí)候，三星公司推出了采用NAND技術(shù)的基于其32 MB 閃存芯片(K9F5608U0BYCB0)的32GB閃存驅(qū)動(dòng)器，此前不久，推出了采用一種40nm工藝開發(fā)的32Gb芯片。BiTMicro公司的Edisk是硬盤驅(qū)動(dòng)終端的另一個(gè)例子，它可在3.5英寸的固態(tài)磁盤上提供155 GB的存儲(chǔ)容量。

存儲(chǔ)卡，這種受人們歡迎的用于數(shù)字相機(jī)和其他便攜式產(chǎn)品的存儲(chǔ)媒介，如今容量可以與被認(rèn)為是20世紀(jì)90年代末期最新的硬盤驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)。目前，1 GB和2 GB容量已經(jīng)替代了256MB和更低容量的存儲(chǔ)卡。USB閃存驅(qū)動(dòng)器---亦稱拇指驅(qū)動(dòng)器和/或袖珍驅(qū)動(dòng)器---也一樣。

總的來說，閃存有五個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，隨著時(shí)間的推移，很可能會(huì)進(jìn)一步縮小；（2）低功率；（3）高存儲(chǔ)容量，隨著時(shí)間的推移，將以指數(shù)提高；（4）如果封裝合適，幾乎不會(huì)毀壞（沒有活動(dòng)部件）；（5）越來越便宜。

閃存的路線圖

顯然，閃存是那些將在未來陪伴我們一段時(shí)間的技術(shù)之一。從該技術(shù)演化而來的新型存儲(chǔ)技術(shù)也露出了曙光。

就在3個(gè)月前，多媒體卡協(xié)會(huì)（MMCA，MultiMediaCard Association)和JEDEC固體技術(shù)協(xié)會(huì)（JEDEC Solid State Technology Association）同意選擇eMMC，作為建立在共同的MMCA/JEDEC MMC規(guī)范之上的，為嵌入式閃存應(yīng)用的嵌入式存儲(chǔ)器模塊產(chǎn)品的商標(biāo)和產(chǎn)品種類。eMMC標(biāo)簽詳細(xì)給出了采用一個(gè)MMC接口、閃存和一個(gè)控制器，由嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)組成的架構(gòu)，所有這些都封裝在一個(gè)小型BGA封裝中。該架構(gòu)有望在眾多的產(chǎn)品中贏得用戶的喜愛，這些產(chǎn)品包括工業(yè)產(chǎn)品、手機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)、媒體播放器和其他便攜式電子設(shè)備。

該系統(tǒng)是在MMC系統(tǒng)規(guī)范v4.1/4.2和JEDEC BGA封裝標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，規(guī)定了速度高達(dá)52 MB/s的接口。重要的是，該標(biāo)準(zhǔn)支持1.8V 或3.3V的接口電壓，克服了目前某些閃存受工作電壓限制的問題。

由于有eMMC，主機(jī)系統(tǒng)能通過一個(gè)MMC接口協(xié)議總線訪問所有的大容量存儲(chǔ)器，包括存儲(chǔ)卡和硬盤驅(qū)動(dòng)器。該系統(tǒng)架構(gòu)的靈活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過僅基于其他存儲(chǔ)器卡標(biāo)準(zhǔn)的架構(gòu)的靈活性。因此，標(biāo)準(zhǔn)化的eMMC協(xié)議接口保持了復(fù)雜性，如NAND閃存的功能差異，對(duì)于主機(jī)不可見。另外，因?yàn)閑MMC是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所以存儲(chǔ)器元件有多個(gè)來源。

此外發(fā)展勢頭良好，QUALCOMM公司已經(jīng)宣布其采用三星公司的OneNAND閃存，用于所有的即將推出的移動(dòng)基站調(diào)制解調(diào)器芯片組。已經(jīng)出現(xiàn)了多種支持該讀/寫速度最快的存儲(chǔ)器的芯片組，更多新興多媒體產(chǎn)品對(duì)其支持將很普遍。

基于OneNAND的芯片組的主要目標(biāo)將是3G電話。寫速度為17MB/s的這種存儲(chǔ)器能保證對(duì)超過HSDPA規(guī)定的連續(xù)數(shù)據(jù)流無線下載。除多媒體手機(jī)設(shè)計(jì)外，OneNAND肯定是混合硬盤用非易失性緩沖器一個(gè)有價(jià)值的選擇。目前，采用60nm工藝技術(shù)的芯片可提供高達(dá)2 Gb的存儲(chǔ)容量，并且在今年晚些時(shí)候，將可能出現(xiàn)采用50nm工藝技術(shù)容量達(dá)4Gb的芯片。