MEMORY系列之“FLASH概述”

本文主要介绍Flash的分类、数据存储原理及结构、两种常见的Flash的区别。

1、Flash分类

FLASH是EPROM和EEPROM的结合体！吸收了EPROM结构简单、编程可靠的优点，保留了EEPROM用隧道效应擦除的快捷特性。

Flash分为以下两种：

• NORFlash。NORFlash根据数据传输的位数可以分为并行（Parallel）NORFlash和串行（SPI）NORFlash。

• 并行CFI Flash=JEDEC Flash=Parallel Flash(JESD68.01、JEP137B)

• 串行SPI Flash：SPI Flash是NORFlash的一种（即SPI NORFlash）

SPI NORFlash每次传输一个（也有x2，x4的）bit位的数据，Parallel NORFlash每次传输多个bit位的数据（有x8和x16 bit两种）；SPI NORFlash比Parallel便宜，接口简单，但速度慢，内部存储矩阵的访问和存储结构和并行NORFlash的一致，只不过多了个串行接口，用于实现对串行数据的解码。

• NANDFlash。根据不同厂家，不同结构工艺，包括如下三种：

• ONFI(Open NANDFlash Interface specification)(Intel)

• Block AbstractedNAND(Intel)

• LBA-NANDFlash(Logical Block Addressing)(Toshiba)

2、数据存储原理

两种闪存都采用三端器件作为存储单元，分别为源极、漏极和栅极，与场效应管的工作原理相同，主要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（不是通过电容存储的）。上下两层氧化物的厚度大于50埃，以避免发生击穿。

向数据单元内写入数据的过程就是向电荷势阱注入电荷的过程，写入数据有两种技术，沟道热电子注人(CHE)( Channel HotElectron injection)和F-N隧道效应(FowlerNordheim tunneling)，前一种是通过源极给浮栅充电，后一种是通过硅基层给浮栅充电。NORFlash通过热电子注入方式给浮栅充电，而NANDFlash是通过F-N隧道效应给浮栅充电。

沟道热电子注入模式工作电压较低，外围高压工艺的要求也较低，但它的编程电流很大，有较大的功耗，不利于应用在便携式电脑等有低功耗要求的产品上；隧道效应模式的功耗小，但要求有更高的编程电压，外围工艺和升压电路也就较为复杂。

在写入新数据之前，必须先将原来的数据擦除，也就是将浮栅的电荷放掉，两种Flash都是通过F-N隧道效应放电（擦除）。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。

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。

FLASH的存储原理

FLASH的基本单元与EEPROM类似，也是由双层浮空栅MOS管组成。但是第一层栅介质很薄，作为隧道氧化层。写入方法与EEPROM相同，在第二级浮空栅加以正电压，使电子进入第一级浮空栅。读出方法与EPROM相同。擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效应，把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除，因此各单元的源极联在一起，这样，FLASH存储器不能按字节擦除，只能全片或分块擦除。

随着半导体技术的改进，闪存也实现了单晶体管（1T）的设计，主要就是在原有的晶体管上加入了浮动栅和选择栅。

四种主流闪存结构图

3、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，NANDFlash各存储单元之间是串联的，而NORFlash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。

NANDFlash的全部存储单元分为若干个块，每个块又分为若干个页，每个页是512byte，就是512个8位数，就是说每个页有512条位线，每条位线下有8个存储单元；那么每页存储的数据正好跟硬盘的一个扇区存储的数据相同，这是设计时为了方便与磁盘进行数据交换而特意安排的，那么块就类似硬盘的簇；容量不同，块的数量不同，组成块的页的数量也不同。在读取数据时，当字线和位线锁定某个晶体管时，该晶体管的控制极不加偏置电压，其它的7个都加上偏置电压而导通，如果这个晶体管的浮栅中有电荷就会导通使位线为低电平，读出的数就是0，反之就是1。

NOR的每个存储单元以并联的方式连接到位线，可以对每一位进行随机存取；具有专用的地址线，可以实现一次性的直接寻址；缩短了Flash对处理器指令的执行时间。

4、性能对比

NAND和NOR两种Flash的性能对比主要从以下几个方面进行：

• 速度。在写数据和擦除数据时，NAND由于支持整块擦写操作，所以速度比NOR要快得多，两者相差近千倍；读取时，由于NAND要先向芯片发送地址信息进行寻址才能开始读写数据，而它的地址信息包括块号、块内页号和页内字节号等部分，要顺序选择才能定位到要操作的字节；这样每进行一次数据访问需要经过三次寻址，至少要三个时钟周期；而NORFlash的操作则是以字或字节为单位进行的，直接读取，所以读取数据时，NOR有明显优势。

• 容量和成本。NORFlash的每个存储单元与位线相连，增加了芯片内位线的数量，不利于存储密度的提高。所以在面积和工艺相同的情况下，NANDFlash的容量比NOR要大得多，生产成本更低，也更容易生产大容量的芯片。

• 易用性。NANDFlash的I/O端口采用复用的数据线和地址线，必须先通过寄存器串行地进行数据存取，各个产品或厂商对信号的定义不同，增加了应用的难度；NORFlash有专用的地址引脚来寻址，较容易与其它芯片进行连接，另外还支持芯片内执行(eXecuteIn Place)，应用程序可以直接在Flash内部运行，可以简化产品设计。

• 可靠性。NANDFlash相邻单元之间较易发生位翻转而导致坏块出现，而且是随机分布的，如果想在生产过程中消除坏块会导致成品率太低、性价比很差，所以在出厂前要在高温、高压条件下检测生产过程中产生的坏块，写入坏块标记，防止使用时向坏块写入数据；但在使用过程中还难免产生新的坏块，所以在使用的时候要配合EDC/ECC(错误探测/错误更正)和BBM(坏块管理)等软件措施来保障数据的可靠性。坏块管理软件能够发现并更换一个读写失败的区块，将数据复制到一个有效的区块。

• 耐久性。Flash由于写入和擦除数据时会导致介质的氧化降解，导致芯片老化，在这个方面NOR尤甚，所以并不适合频繁地擦写，NAND的擦写次数是100万次，而NOR只有10万次。

5、NOR和NAND的区别

NAND Flash的编程是通过电子从沟道发生F-N遂穿到达浮栅，产生一个正的阈值电压实现的，编程时在字线上加一个高压（18~20V），并将衬底接地。擦除是通过电子从浮栅发生F-N遂穿到达够大，产生一个负的阈值电压实现的，擦除需要在P阱和N衬底上偏置一个正的高电压（约20V），并把所有字线接地。由于栅与衬底之间的耦合系数相对较低，因此需要这个高电压。在单电源电压供电的存储器中，这些电压时用电荷泵产生的。

NAND Program/Erase

NOR Erase（高压端擦除、负栅压源端擦除和沟道擦除）

NORFlash Program

以上就是针对Flash的分类、数据存储结构、两种常见Flash的区别等几个方面进行的简单介绍。