快闪存储器技术

　　Flash Memory从结构上大体上可以分为AND、NAND、NOR和DINOR等几种，现在市场上两种主要的Flash Memory技术是NOR和NAND结构。

　　Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。

　　Nor Flash器件以及NAND Flash器件都是采用浮栅器件，在写入之前必须先行擦除。浮栅器件也是利用电场的效应来控制源极与漏极之间的通断，栅极的电流消耗极小，不同的是场效应管为单栅极结构，而FLASH为双栅极结构，在栅极与硅衬底之间增加了一个浮置栅极。

　　浮置栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成的，中间的氮化物就是可以存储电荷的电荷势阱。上下两层氧化物的厚度大于50埃，以避免发生击穿。

　　一 存储单元工作原理

　　cc1. NOR存储单元

　　快闪存储器的擦写技术来源于沟道热电子发射（Channel Hot-Electron Injection）与隧道效应（Fowlerordheim）。

　　NOR结构的Flash memory主要用于存储指令代码及小容量数据的产品中，目前的单片最高容量为512M，NOR Flash memory产品的主要领导者为Intel公司、AMD公司、Fujitsu公司、ST Microelectronics和公司。

　　ccNOR结构的Flash memory采用NOR SGC（Stacked Gate Cell）存储单元，是从EPROM结构直接发展而来，非常成熟的结构，采用了简单的堆叠栅构造。图1是其结构原理图。沟道热电子发射（CHEI）器件的浮栅的充电（写）是通过传统的沟道热电子发射（CHEI）在漏端附近完成的；浮栅的放电（擦除）在源端通过隧道氧化层的隧道效应来实现。

　　cccc cc

　　cc这种结构单元面积小，同EPROM的面积相当，编程（写）时间短，在10μs左右，源漏结可以分开优化，漏结优化沟道热电子发射，源结优化隧道效应，采用了自对准工艺。

　　cc随着制造技术的进步，存储单元的特征尺寸越来越小，工作电压降低，带来的负面影响是热电子发射效率降低，编程时较难工作于4V漏源电压下。为提高热电子发射效率，需要对源结、漏结、沟道掺杂分布进行优化1，整体工艺较复杂，编程电流也较大，大约400μA／bit（0．5μm）技术。工艺流程以0．25μm-0．35μm产品为例，采用DPDM制造的快闪存储器需要23块Mask版，进行27次光刻。

　　cc2. 隧道效应（Fowlerordheim）存储单元

　　cc隧道效应存储单元是目前快速发展的快闪存储器生产技术，在快闪存储器中一般组成NAND存储阵列，单元面积小，其工艺较简单，容量大，成本低，适用于低价格、高容量、速度要求不高的Flash memory客户用于数据存储；在MP3、PAD、数码相机、2．5G及3G无线系统中得到了广泛的应用。

　　cc图2是隧道效应存储单元结构原理图，其编程、擦除通过隧道氧化层的隧道效应来实现，类似EEPROM，其优点是在编程时可以工作在2．5V的源漏电压下，功耗低，非常适合非接触式IC卡，同时NAND阵列的单元面积是NOR SGC单元面积的二分之一，适合于大容量集成。

　　cc

　　cc隧道效应存储单元擦写工作电压高，一般要求达到16V-20V，对器件、电路的设计要求高，编程（写）时间较长，在50μs-100μs，不适合字节编程，适用于大容量页编程，像EEPROM一样，编程时，加在隧道氧化层上电场强度高，存在SILC（stress induced leakage currents）效应，对工艺要求高。

　　3. 数据读取原理

　　对于NOR以及NAND FLASH Memory，向浮栅中注入电荷表示写入了‘0’，没有注入电荷表示‘1’，所以对FLASH清除数据是写1的，这与硬盘正好相反；

　　对于浮栅中有电荷的单元来说，由于浮栅的感应作用，在源极和漏极之间将形成带正电的空间电荷区，这时无论控制极上有没有施加偏置电压，晶体管都将处于导通状态。而对于浮栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电压，在硅基层上感应出电荷，源极和漏极才能导通，也就是说在没有给控制极施加偏置电压时，晶体管是截止的。

　　如果晶体管的源极接地而漏极接位线，在无偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据，如果位线上的电平为低，说明晶体管处于导通状态，读取的数据为0，如果位线上为高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为1。由于控制栅极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压，不足以改变浮置栅极中原有的电荷量，所以读取操作不会改变FLASH中原有的数据。

　　二 连接和编址方式

　　两种FLASH具有相同的存储单元，工作原理也一样，为了缩短存取时间并不是对每个单元进行单独的存取操作，而是对一定数量的存取单元进行集体操作，NAND型FLASH各存储单元之间是串联的，而NOR型FLASH各单元之间是并联的，为了对全部的存储单元有效管理，必须对存储单元进行统一编址。

　　1. NOR Flash连接

　　NOR Flash的每个存储单元以并联的方式连接到位线，方便对每一位进行随机存取；具有独立的数据线和地址线，可以实现随机存取；缩短了FLASH对处理器指令的执行时间。

　　NOR Flash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，但是擦除和编程速度较慢。

　　2. NAND Flash的结构

　　NAND Flash 的数据是以bit的方式保存在memory cell，一般来说，一个cell 中只能存储一个bit。这些cell 以8个或者16个为单位，连成bit line，形成所谓的byte（x8）/word（x16），这就是NAND Device的位宽。这些Line会再组成Page，若干个Page构成一个Block，一个NAND Flash存储器包含若干个Block。

　　三星的K9F1208U0M每页528Bytes（512byte（Main Area）+16byte（Spare Area），参见说明1），每32个page形成一个Block（32*528B），具有4096个block，故总容量为4096*（32*528B）=66MB，但是其中的2MB是用来保存ECC校验码等额外数据的，故实际中可使用的为64MB。

　　说明1：NAND闪存的每一页都有8B（页长度 256B）或者16B（页长度为512B）的OOB（Out Of Band）数据区，用来存放ECC（Error Checking &Correction）、ECC有效标志、坏块标志等。

　　NAND flash以页为单位读写数据，而以块为单位擦除数据。按照这样的组织方式可以形成所谓的三类地址：

　　Column Address：Starting Address of the Register. 翻成中文为列地址，地址的低8位

　　Page Address ：页地址

　　Block Address ：块地址

　　对于NAND Flash来讲，地址和命令只能在I/O［7:0］上传递，数据宽度是8位。

　　3. NAND Flash寻址举例

　　512byte需要9bit来表示，对于528byte系列的NAND，这512byte被分成1st half Page Register和2nd half Page Register，各自的访问由地址指针命令来选择，A［7:0］就是所谓的column address（列地址），在进行擦除操作时不需要它，因为以块为单位擦除。32个page需要5bit来表示，占用A［13:9］，即该page在块内的相对地址。A8这一位地址被用来设置512byte的1st half page还是2nd half page，0表示1st，1表示2nd。Block的地址是由A14以上的bit来表示。

　　例如64MB（512Mb）的NAND flash（实际中由于存在spare area，故都大于这个值），共4096block，因此，需要12个bit来表示，即A［25:14］，如果是128MB（1Gbit） 的528byte/page的NAND Flash，则block address用A［26:14］表示。而page address就是blcok address|page address in block。NAND Flash 的地址表示为： Block Address|Page Address in block|halfpage pointer|Column Address 地址传送顺序是Column Address，Page Address，Block Address。

　　由于地址只能在I/O［7:0］上传递，因此，必须采用移位的方式进行。 例如，对于512Mbit x8的NAND flash，地址范围是0~0x3FF_FFFF，只要是这个范围内的数值表示的地址都是有效的。 以NAND_ADDR 为例：

　　第1 步是传递column address，就是NAND_ADDR［7:0］，不需移位即可传递到I/O［7:0］上，而halfpage pointer即A8 是由操作指令决定的，即指令决定在哪个halfpage 上进行读写，而真正的A8 的值是不需程序员关心的。

　　第2 步就是将NAND_ADDR 右移9位，将NAND_ADDR［16:9］传到I/O［7:0］上；

　　第3 步将NAND_ADDR［24:17］放到I/O上；

　　第4步需要将NAND_ADDR［25］放到I/O上；

　　因此，整个地址传递过程需要4 步才能完成，即4-step addressing。 如果NAND Flash 的容量是32MB（256Mbit）以下，那么，block adress最高位只到bit24，因此寻址只需要3步。

　　下面，就x16 的NAND flash 器件稍微进行一下说明。 由于一个page 的main area 的容量为256word，仍相当于512byte。但是，这个时候没有所谓的1st halfpage 和2nd halfpage 之分了，所以，bit8就变得没有意义了，也就是这个时候 A8 完全不用管，地址传递仍然和x8 器件相同。除了，这一点之外，x16 的NAND使用方法和 x8 的使用方法完全相同。

　　三 NAND Flash和NOR Flash的比较

　　如果只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。

　　NOR的特点是芯片内执行（XIP， eXecute In Place），这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

　　NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。

　　1.性能比较

　　flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

　　由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。

　　执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时），更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。

　　.NOR的读速度比NAND稍快一些。

　　.NAND的写入速度比NOR快很多。

　　.NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

　　。大多数写入操作需要先进行擦除操作。

　　.NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。

　　2.接口差别

　　NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。

　　NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息（地址总线、数据总线复用）。

　　NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

　　3.容量和成本

　　NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。

　　NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

　　4.可靠性和耐用性

　　采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。寿命（耐用性）在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

　　（1）位交换

　　所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，NAND发生的次数要比NOR多），一个比特位会发生反转或被报告反转了。

　　一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。

　　当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正（EDC/ECC）算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。

　　这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

　　（2）坏块处理

　　NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。

　　NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。

　　5.易于使用

　　可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。

　　由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

　　6.软件支持

　　当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。

　　在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序（MTD），NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

　　使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。

　　驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。（纠正一点：NOR擦除时，是全部写1，不是写0，而且，NOR FLASH SECTOR擦除时间视品牌、大小不同而不同，比如，4M FLASH，有的SECTOR擦除时间为60ms，而有的需要最大6S。）NOR FLASH的主要供应商是INTEL ，MICRO等厂商，曾经是FLASH的主流产品，但现在被NAND FLASH挤的比较难受。它的优点是可以直接从FLASH中运行程序，但是工艺复杂，价格比较贵。NAND FLASH的主要供应商是SAMSUNG和东芝，在油盘、各种存储卡、MP3播放器里面的都是这种FLASH，由于工艺上的不同，它比NOR FLASH拥有更大存储容量，而且便宜。但也有缺点，就是无法寻址直接运行程序，只能存储数据。另外NAND FLASH 非常容易出现坏区，所以需要有校验的算法。在掌上电脑里要使用NAND FLASH 存储数据和程序，但是必须有NOR FLASH来启动。除了SAMSUNG处理器，其他用在掌上电脑的主流处理器还不支持直接由NAND FLASH 启动程序。因此，必须先用一片小的NOR FLASH 启动机器，在把OS等软件从NAND FLASH 载入SDRAM中运行。

　　参考资料

　　1. 嵌入式Flash Memory Cell技术2. NAND与NOR FLASH的原理与异同

　　3. NAND Flash和NOR Flash的比较

　　4. nand flash 原理简介