NANDFlash原理

存储器按照存储介质来划分，可以分为半导体存储器和磁表面存储器。半导体存储器是由半导体器件组成的，主要包括随机存储器（RAM：Random Access Memory）、只读存储器（ROM：Read Only Memory）和高速缓存（Cache）：

随机存储器RAM：包括静态随机存储器SRAM（Static RAM）和动态随机存储器DRAM（Dynamic RAM）。SRAM不需要刷新电路就可以保存它内部存储的数据，相反，DRAM则要求每隔一段时间就要刷新充电一次，否则，内部的数据就会丢失，因此，SRAM具有较高的性能。但是，SRAM存在一个明显的缺点——集成度较低，这意味着，在设计产品时，在相同的容量下，DRAM内存产品体积较小，而SRAM却具有较大的体积，而且功耗较大。

SRAMS（Static RAM，静态随机存储器），不需要刷新电路，数据不会丢失，而且，一般不是行列地址复用的。但是他集成度比较低，不适合做容量大的内存，一般是用在处理器的缓存里面。像S3C2440的ARM9处理器里面就有4K的SRAM用来做CPU启动时用的。SRAM其实是一种非常重要的存储器，它的用途广泛。SRAM的速度非常快，在快速读取和刷新时能够保持数据完整性。SRAM内部采用的是双稳态电路的形式来存储数据。所以SRAM的电路结构非常复杂。制造相同容量的SRAM比DRAM的成本高的多。正因为如此，才使其发展受到了限制。因此目前SRAM基本上只用于CPU内部的一级缓存以及内置的二级缓存。仅有少量的网络服务器以及路由器上能够使用SRAM。

DRAM：Dynamic RAM，动态随机存取存储器，每隔一段时间就要刷新一次数据，才能保存数据。而且是行列地址复用的，许多都有页模式。SDRAM是其中的一种。

SDRAM（Synchronous DRAM，同步动态随机存储器），即数据的读写需要时钟来同步。其存储单元不是按线性排列的，是分页的。
DRAM和SDRAM由于实现工艺问题，容量较SRAM大。但是读写速度不如SRAM。
一般的嵌入式产品里面的内存都是用的SDRAM。电脑的内存也是用的这种RAM，叫DDR SDRAM，其集成度非常高，因为是动态的，所以必须有刷新电路，每隔一段时间必须得刷新数据。

只读存储器ROM：对于只读存储器ROM而言，在制造的时候，信息（数据或程序）就会被永久保存到ROM中，一般只能读出，不能写入，即使发生断电，ROM中的信息也不会丢失。ROM一般用于存放计算机的基础程序和数据，比如，BIOS就是一个永久保存在ROM中的一个软件，是操作系统输入输出管理系统的一部分，包含了自检程序、基本启动程序和基本的硬件驱动程序等，主要用来负责机器的启动和系统中重要硬件的控制和驱动，并为高层软件提供基层调用。

EPROM　
EPROM（Erasable Programmable ROM，可擦除可编程ROM）芯片可重复擦除和写入，解决了PROM芯片只能写入一次的弊端。
EPROM芯片有一个很明显的特征，在其正面的陶瓷封装上，开有一个玻璃窗口，透过该窗口，可以看到其内部的集成电路，紫外线透过该孔照射内部芯片就可以擦除其内的数据，完成芯片擦除的操作要用到EPROM擦除器。
EPROM内资料的写入要用专用的编程器，并且往芯片中写内容时必须要加一定的编程电压（VPP=12—24V，随不同的芯片型号而定）。EPROM的型号是以27开头的，如27C020(8*256K)是一片2M Bits容量的EPROM芯片。EPROM芯片在写入资料后，还要以不透光的贴纸或胶布把窗口封住，以免受到周围的紫外线照射而使资料受损。 EPROM芯片在空白状态时（用紫外光线擦除后），内部的每一个存储单元的数据都为1（高电平）。

EEPROMEEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM，电可擦可编程只读存储器)，一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM是可用户更改的只读存储器，其可通过高于普通电压的作用来擦除和重编程（重写），即可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息并重新编程。不像EPROM芯片，EEPROM不需从计算机中取出即可修改，是现在用得比较多的存储器，比如24CXX系列的EEPROM。
在一个EEPROM中，当计算机在使用的时候是可频繁地重编程的，EEPROM的寿命是一个很重要的设计考虑参数。
EEPROM的一种特殊形式是闪存，其应用通常是个人电脑中的电压来擦写和重编程。
EEPROM一般用于即插即用（Plug & Play），常用在接口卡中，用来存放硬件设置数据，也常用在防止软件非法拷贝的"硬件锁"上面。

闪存（Flash）
闪存(FLASH)是一种非易失性存储器，即断电数据也不会丢失。因为闪存不像RAM（随机存取存储器）一样以字节为单位改写数据，因此不能取代RAM。　　
闪存卡（Flash Card）是利用闪存（Flash Memory）技术达到存储电子信息的存储器，一般应用在数码相机，掌上电脑，MP3等小型数码产品中作为存储介质，所以样子小巧，有如一张卡片，所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用，闪存卡大概有U盘、SmartMedia（SM卡）、Compact Flash（CF卡）、MultiMediaCard（MMC卡）、Secure Digital（SD卡）、Memory Stick（记忆棒）、XD-Picture Card（XD卡）和微硬盘（MICRODRIVE）。这些闪存卡虽然外观、规格不同，但是技术原理都是相同的。

高速缓存(Cache)：是介于内存与CPU之间的一级存储器，速度接近于CPU，一般而言它不会采用DRAM技术，而是使用昂贵但较快速的SRAM技术。

闪存通常包括NOR和NAND两种类型。NOR闪存是由Intel公司开发的，是一种随机访问设备，具有专用的地址和数据线（和SRAM类似），以字节的方式进行读写，允许对存储器当中的任何位置进行访问，这使得NOR闪存是传统的只读存储器（ROM）的一种很好的替代方案，比如计算机的BIOS芯片。而NAND闪存则没有专用的地址线，不能直接寻址，是通过一个间接的、类似I/O的接口来发送命令和地址来进行控制的，这就意味着NAND闪存只能够以页的方式进行访问。相对于NOR闪存而言，NAND闪存只需要更少的逻辑门就可以存储相同数量的位，因此，NAND闪存比NOR闪存体积更小，存储密度更大。就读取速度而言，NOR闪存要比NAND闪存稍快一些；就写入速度而言，NAND闪存要比NOR闪存快许多。NAND闪存执行擦除操作比较简单，只需要擦除整个块即可。NOR闪存进行擦除时，需要把所有的位都写为1。NOR闪存虽然具备更快、更简单的访问过程，但是，存储能力比较低，因此，比较适合用来进行程序的存储。NAND闪存可以提供极高的单元存储密度（当前单个芯片具备了32GB的存储能力），比较适合存储大量的数据，并且写入和擦除的速度也很快；此外，NAND闪存的读写操作单元通常是一个扇区的大小（即512KB），这使得NAND闪存和磁盘的行为非常类似。

闪存芯片是由一组数据存储单元阵列组成的，包含许多个块，每个块又包含许多个―页（通常是32 个页），一个页通常是512 字节，因为闪存被开发出来时的最初目的就是为了取代磁盘，因此，一个闪存页的大小和磁盘扇区大小保持了一致。一个页不仅包括数据区域（通常是512 字节），还包含了一个额外的、小的备用区域（通常是16 字节），或者称为―带外数据（OOB：Out of Band）区域，它是用来存储一系列的管理信息，包括：（1）错误纠正码；（2）和存储在数据区域中的数据对应的逻辑页面编号；（3）页面状态。在写数据的同时，就可以顺便把管理信息写入这些备用区域，额外开销有时候可以忽略不计。每个闪存页的状态可以是以下三种状态中的一种：（1）有效；（2）无效；（3）自由/擦除。当没有数据被写入一个页时，这个页就处于―擦除‖状态，这时，页中的所有位都是1。一个写操作只能针对处于擦除状态的页，然后把这个页的状态改变为―有效。异地更新会导致一些页面不再有效，它们被称为―无效页。
闪存的一个块通常包含32个页，因此，一个块的大小通常16KB，一般称这种闪存为―小块NAND闪存‖。但是，一些高端应用需要更快的写和擦除速度，因此，闪存生产商开始生产―大块NAND闪存，这类闪存中，一个块包含了64个页，每个页2212字节，因此，一个块的大小就是128KB。

NAND Flash作为一种比较实用的固态硬盘存储介质，有自己的一些物理特性，需要有基本的管理技术才能使用，对设计者来说，挑战主要在下面几点：

1.需要先擦除才能写入。
2.损耗机制，有耐久度限制。
3.读写时候造成的干扰会造成数据出错。
4.数据的保存期。
5.对初始和运行时候的坏块管理。

只有至少满足这些基本的管理技术，才能让NAND Flash成为一款可以使用的固态存储介质。（这里还没有谈到任何关于性能的地方，因为那是这些基本条件满足后的事。）

当满足了上面的5点后，才该谈到稳定，性能，耐久度，影响这些的5大因素为：

1.SLC和MLC
2.平衡磨损算法
3.透过坏块管理技术确保数据的完整性。
4.使用错误检测和校正技术
5.写入放大

只有满足了这些条件，才能得到一款理想中的完美的固态硬盘。

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）

挑战1：需要先擦除才能写入。

当今的NAND Flash可以读/写一个page，但是必须以block大小擦除。

擦除操作就是让块中所有的bit变为1，从一个干净的“已擦除”状态的block重新开始。当里面的页变为0后，只有擦除整个块才能让这个页变为1。为了尽量减少擦除的次数，成熟的块管理技术必不可少。

挑战2：读/写干扰。

NAND Flash的电荷非常不稳定，在读/写中很容易对邻近的单元造成干扰，干扰后会让附近单元的电荷脱离实际的逻辑数值，造成bit出错，因为阀值接近的关系，MLC相对SLC来说更容易受到干扰。

读取干扰

写入干扰

读取干扰指的是在读取某个page时，邻近的bit会受到升高电压的干扰，造成bit出错。写入干扰指的是，某个page在写入时，邻近bit的电压也被升高了，造成bit出错。相对写入干扰来说，读取干扰明显小的多。在读/写干扰中，可能造成某些bit被改变，结果造成数据出错。所以需要在返回数据给主机前，用ECC/EDC算法来纠正这些bit的错误。随着闪存工艺的提升，同样大小的晶片上被封装入更多的单元，造成干扰越来越厉害，所以需要更强大的ECC/EDC来纠正bit。

挑战3：数据保存期限

数据保存期指的是当完全断电后，数据能在NAND Flash里保存多久。NAND单元必须保证一个稳定的电压水平，来保证数据是有效的。典型的SLC一般为10年。电荷从悬浮门里漏出，我们叫做电子迁移，当随着时间的流逝，电荷泄漏到一定程度，改变了NAND单元里悬浮门的电压对应的逻辑值，这样就造成bit出错。

数据保存期会随着擦写次数的增加而明显降低，而且从上面的原理中看出，MLC的数据保存期明显会比SLC少。（更容易被干扰)

挑战4：坏块

NAND Flash里有2种坏块类型：

1，出厂坏块：由于为了保证产量和控制成本,出厂的NAND Flash某些就会有坏块。厂商保证SLC出厂坏块低于2%，MLC出厂坏块低于5%。
2，积累坏块：在多次的写入/擦除循环中，某些NAND单元的电荷电压被永久性的改变了，那就意味着包含这个NAND单元不可用了。

所以固态硬盘需要有坏块管理才能使用，主控制器用坏块表来映射出厂坏块和积累坏块到坏块区内，出厂时，颗粒的第一个块Block 0厂商会保证是可用的（至少ECC后可用）。

挑战5：擦写次数限制

造成NAND Flash有擦写次数限制的主要有2个因素：

1，电荷被困在氧化层，不能进入悬浮门。
2，氧化层结构被破坏。

如图，一旦氧化层损坏到达一定程度，造成电荷越来越难在P-substrate和悬浮门之间交流。电荷被困在氧化层造成悬浮门中的电压到不了阀值，所以说这个NAND单元就要被放入坏块区了。

当前主流SLC的P/E为10万次，50nm MLC为1万次，3xnm的MLC为5000次。到了这个数字并不意味着就不能用了，这个只是代表平均寿命，也就是说到了这个次数后，坏块就会开始大量增加了。

随着工艺提升，ECC的要求越来越高，50nm的SLC颗粒，三星规定1bit ECC的就够了，而50nm MLC要4bit ECC,到了3xnm要求达到24bit ECC。

附； ECC

影响NAND Flash稳定性和耐久度的一个主要因素就是ECC能力，目前最常用的三种算法是：

1.Reed-Solomon。2.Hamming。3.BCH (Bose, Ray-Chaudhuri, Hocquenghem)

不管何种ECC算法，何种主控，检测错误的方式是相同的：

1.每当一个page写入NAND Flash，数据会通过ECC引擎，创造独特的ECC签名。
2.数据和对应的ECC签名存都存放在NAND Flash里，数据放在数据区，ECC签名放在 SA区。
3.当需要读取数据时，数据和ECC签名一起被送往主控制器，此时新的ECC签名被生成。
4.此时主控把2个签名对照，如果签名相同，说明数据没有错误，数据就会被送往主机。如果签名不同，数据就会先放在主控里，而不是直接送往主机。

某些主控会把改正后的数据再次写回闪存，另一些则不会，因为谁也不知道下次读取会不会再出错。

ECC的能力直接关系到NAND Flash的耐久度，数据保存期。当NAND Flash的P/E数到了之后，错误数会越来越多，ECC弱的直接就报坏块并标记退休，如果ECC能力足够强，就能挖掘出Flash所有潜力。

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