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深入解析NAND闪存

归档日期:06-06       文本归类:直接随机存取      文章编辑:爱尚语录

  对于许多消费类音视频产品而言,NAND闪存是一种比硬盘驱动器更好的存储方案,这在不超过4GB的低容量应用中表现得犹为明显。随着人们持续追求功耗更低、重量更轻和性能更佳的产品,NAND正被证明极具吸引力。

  NAND闪存阵列分为一系列128kB的区块(block),这些区块是NAND器件中最小的可擦除实体。擦除一个区块就是把所有的位(bit)设置为“1”(而所有字节(byte)设置为 FFh)。有必要通过编程,将已擦除的位从“1”变为“0”。最小的编程实体是字节(byte)。一些NOR闪存能同时执行读写操作(见下图1)。虽然 NAND不能同时执行读写操作,它可以采用称为“映射(shadowing)”的方法,在系统级实现这一点。这种方法在个人电脑上已经沿用多年,即将 BIOS从速率较低的ROM加载到速率较高的RAM上。

  NAND的效率较高,是因为NAND串中没有金属触点。NAND闪存单元的大小比NOR要小(4F2:10F2)的原因,是NOR的每一个单元都需要独立的金属触点。NAND与硬盘驱动器类似,基于扇区(页),适合于存储连续的数据,如图片、音频或个人电脑数据。虽然通过把数据映射到RAM上,能在系统级实现随机存取,但是,这样做需要额外的RAM存储空间。此外,跟硬盘一样,NAND器件存在坏的扇区,需要纠错码(ECC)来维持数据的完整性。

  存储单元面积越小,裸片的面积也就越小。在这种情况下,NAND就能够为当今的低成本消费市场提供存储容量更大的闪存产品。NAND闪存用于几乎所有可擦除的存储卡。NAND的复用接口为所有最新的器件和密度都提供了一种相似的引脚输出。这种引脚输出使得设计工程师无须改变电路板的硬件设计,就能从更小的密度移植到更大密度的设计上。

  NAND闪存的优点在于写(编程)和擦除操作的速率快,而NOR的优点是具有随机存取和对字节执行写(编程)操作的能力(见下图图2)。NOR的随机存取能力支持直接代码执行(XiP),而这是嵌入式应用经常需要的一个功能。NAND的缺点是随机存取的速率慢,NOR的缺点是受到读和擦除速度慢的性能制约。NAND较适合于存储文件。如今,越来越多的处理器具备直接NAND接口,并能直接从 NAND(没有NOR)导入数据。

  NAND的真正好处是编程速度快、擦除时间短。NAND支持速率超过5Mbps的持续写操作,其区块擦除时间短至2ms,而NOR是750ms。显然,NAND在某些方面具有绝对优势。然而,它不太适合于直接随机存取。

  对于16位的器件,NOR闪存大约需要41个I/O引脚;相对而言,NAND器件仅需24个引脚。NAND器件能够复用指令、地址和数据总线,从而节省了引脚数量。复用接口的一项好处,就在于能够利用同样的硬件设计和电路板,支持较大的NAND器件。由于普通的TSOP-1封装已经沿用多年,该功能让客户能够把较高密度的NAND器件移植到相同的电路板上。NAND器件的另外一个好处显然是其封装选项:NAND提供一种厚膜的2Gb裸片或能够支持最多四颗堆叠裸片,容许在相同的TSOP-1封装中堆叠一个8Gb的器件。这就使得一种封装和接口能够在将来支持较高的密度。

  图2 NOR闪存的随机存取时间为0.12ms,而NAND闪存的第一字节随机存取速度要慢得多

  以2Gb NAND器件为例,它由2048个区块组成,每个区块有6?个页(见图3)。

  每一个页均包含一个2048字节的数据区和6?字节的空闲区,总共包含 2,112字节。空闲区通常被用于ECC、耗损均衡(wear leveling)和其它软件开销功能,尽管它在物理上与其它页并没有区别。NAND器件具有8或16位接口。通过8或16位宽的双向数据总线,主数据被连接到NAND存储器。在16位模式,指令和地址仅仅利用低8位,而高8位仅仅在数据传输周期使用。

  擦除区块所需时间约为2ms。一旦数据被载入寄存器,对一个页的编程大约要300s。读一个页面需要大约25s,其中涉及到存储阵列访问页,并将页载入 16,8?6位寄存器中。

  1.芯片启动 (Chip Enable, CE#):如果没有检测到CE信号,那么,NAND器件就保持待机模式,不对任何控制信号作出响应。

  6. 就绪/忙(Ready/Busy, R/B#):如果NAND器件忙,R/B#信号将变低。该信号是漏极开路,需要采用上拉电阻。

  数据每次进/出NAND寄存器都是通过16位或8位接口。当进行编程操作的时候,待编程的数据进入数据寄存器,处于在WE#信号的上升沿。在寄存器内随机存取或移动数据,要采用专用指令以便于随机存取。

  数据寄存器输出数据的方式与利用RE#信号的方式类似,负责输出现有的数据,并增加到下一个地址。WE#和RE#时钟运行速度极快,达到30ns的水准。当RE#或CE#不为低的时候,输出缓冲器将为三态。这种CE#和RE#的组合使能输出缓冲器,容许NAND闪存与NOR、SRAM或DRAM等其它类型存储器共享数据总线。该功能有时被称为“无需介意芯片启动(chip enable dont care)”。这种方案的初衷是适应较老的NAND器件,它们要求CE#在整个周期为低(译注:根据上下文改写)。

  2019年第一季度世界存储器产品营收为271.24亿美元 下降26.8%

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