Nand flash基本原理

Nand flash基本原理

      Flash全名叫做Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的如硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDR SDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。

      Flash的内部存储是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET)，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

 

      数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的控制门（Control gate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth 来表示。

1.对于NAND Flash的写入（编程)，就是控制Control Gate去充电（对Control Gate加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。

2.对于NAND Flash的擦除(Erase)，就是对悬浮门放电，低于阀值Vth，就表示1。

NAND Flash的架构:

 

如上图所示，这是一个8Gb 50nm的SLC颗粒内部架构。

每个page有33,792个单元，每个单元代表1bit(SLC)，所以每个page就是4096Byte + 128Byte（SA）。
每个Block有64个page组成，所以每个Block容量为262,114Byte + 8192Byte （SA）

page是NAND Flash上最小的读/写单位（一个page上的单元共享一根字符线Word line），块是最小的擦除单位（。不同厂牌不同型号颗粒有不同的page和block大小。

下图是个8Gb 50nm的SLC颗粒。

 

4KB的页尺寸，256KB的块尺寸。图中4096字节用于存储数据，另外128字节用来做管理和ECC用。

SLC 和 MLC 区别：

SLC主要针对军工，企业级应用，有着高速写入，低出错率，长耐久度特性。
MLC主要针对消费级应用，有着2倍容量于SLC，低成本，适合USB闪盘，手机，数码相机等储存卡。如今也被用于消费级固态硬盘上。

由上图可以看到，MLC和SLC虽然使用相同的电压值，但是电压之间的阀值被分成了4份，直接影响了性能和稳定性。主要有下面几点：

1.相邻的存储电荷的悬浮门间会互相干扰，造成悬浮门里的电荷不稳定出现bit错误，MLC由于阀值相比SLC更接近，造成出错几率更大。
2.MLC读写性能降低，写入更是降低50%以上，因为需要确认充入电荷的量，这需要更精确的处理。SLC只有0和1，也就是有和没有，而MLC会有00,01,10,11 4个状态，在充入电荷后还要去判断是哪个状态，自然就慢了。
3.因为上面说的，造成额外的读写压力，所以功耗明显增大。
4.因为额外的读写压力，造成闪存的写入耐久度和数据保存期受到影响。

eMLC和eSLC的耐久度提升是用牺牲了数据保存期和增加读写时间换来的。（也就是性能会更差点）