NAND

基本介紹編輯

工作原理

　　閃存結(jié)合了EPROM的高密度和EEPROM結(jié)構(gòu)的變通性的優(yōu)點。

　　EPROM是指其中的內(nèi)容可以通過特殊手段擦去，然后重新寫入。其基本單元電路如下圖所示。常采用浮空柵雪崩注入式MOS電路，簡稱為FAMOS。它與MOS電路相似，是在N型基片上生長出兩個高濃度的P型區(qū)，通過歐姆接觸分別引出源極S和漏極D。在源極和漏極之間有一個多晶硅柵極浮空在 絕緣層中，與四周無直接電氣聯(lián)接。這種電路以浮空柵極是否帶電來表示存1或者0，浮空柵極帶電后（例如負電荷），就在其下面，源極和漏極之間感應出正的導電溝道，使MOS管導通，即表示存入0.若浮空柵極不帶電，則不能形成導電溝道，MOS管不導通，即存入1。

　　EPROM基本單元結(jié)構(gòu)

　　EEPROM基本存儲單元電路的工作原理如圖2.2所示。與EPROM相似，它是在EPROM基本單元電路的浮空柵極的上面再生成一個浮空柵，前者稱為第一級浮空柵，后者稱為第二級浮空柵?？山o第二級浮空柵引出一個電極，使第二級浮空柵極接某一電壓VG。若VG為正電壓，第一浮空柵極與漏極之間產(chǎn)生隧道效應，使電子注入第一浮空柵極，即編程寫入。若使VG為負電壓，強使第一浮空柵極的電子散失，即擦除。擦除后可重新寫入。

EEPROM單元結(jié)構(gòu)

　　閃存的基本單元電路與EEPROM類似，也是由雙層浮空柵MOS管組成。但是第一層柵介質(zhì)很薄，作為隧道氧化層。寫入方法與EEPROM相同，在第二級浮空柵加正電壓，使電子進入第一級浮空柵。讀出方法與EPROM相同。擦除方法是在源極加正電壓利用第一級浮空柵與漏極之間的隧道效應，將注入到浮空柵的負電荷吸引到源極。由于利用源極加正電壓擦除，因此各單元的源極聯(lián)在一起，這樣，擦除不能按字節(jié)擦除，而是全片或者分塊擦除。隨著半導體技術(shù)的改進，閃存也實現(xiàn)了單晶體管設(shè)計，主要就是在原有的晶體管上加入浮空柵和選擇柵，

　　NAND閃存單元結(jié)構(gòu)

　　NAND閃存陣列分為一系列128kB的區(qū)塊(block)，這些區(qū)塊是NAND器件中最小的可擦除實體。擦除一個區(qū)塊就是把所有的位(bit)設(shè)置為“1”(而所有字節(jié)(byte)設(shè)置為FFh)。有必要通過編程，將已擦除的位從“1”變?yōu)?ldquo;0”。最小的編程實體是字節(jié)(byte)。一些NOR閃存能同時執(zhí)行讀寫操作(見下圖1)。雖然NAND不能同時執(zhí)行讀寫操作，它可以采用稱為“映射(shadowing)”的方法，在系統(tǒng)級實現(xiàn)這一點。這種方法在個人電腦上已經(jīng)沿用多年，即將BIOS從速率較低的ROM加載到速率較高的RAM上。

傳輸速率

　　NAND閃存卡的讀取速度遠大于寫入速度。

　　當芯片磨損，抹除與程序的操作速度會降到相當慢。傳遞多個小型文件時，若是每個文件長度均小于閃存芯片所定義的區(qū)塊大小時，就可能導致很低的傳輸速率。訪問的遲滯也會影響性能，但還是比硬盤的遲滯影響小。

　　閃存控制器的質(zhì)量也是影響性能的因素之一。即使閃存只有在制造時做縮小晶粒(die-shrink)的改變，但如果欠缺合適的控制器，就可能引起速度的降級。

　　不同種類、不同工藝、不同技術(shù)水平的NAND閃存在讀寫速率上存在差異。同時，閃存產(chǎn)品的讀寫性能也與讀寫方式有關(guān)。一般閃存的數(shù)據(jù)接口為8位或者16位，其中8位較為常見。如果產(chǎn)品支持多通道并行讀寫，那么就會有更高的速度。

優(yōu)勢

　　NAND的效率較高，是因為NAND串中沒有金屬觸點。NAND閃存單元的大小比NOR要小(4F2：10F2)的原因，是NOR的每一個單元都需要獨立的金屬觸點。NAND與硬盤驅(qū)動器類似，基于扇區(qū)(頁)，適合于存儲連續(xù)的數(shù)據(jù)，如圖片、音頻或個人電腦數(shù)據(jù)。雖然通過把數(shù)據(jù)映射到RAM上，能在系統(tǒng)級實現(xiàn)隨機存取，但是，這樣做需要額外的RAM存儲空間。此外，跟硬盤一樣，NAND器件存在壞的扇區(qū)，需要糾錯碼(ECC)來維持數(shù)據(jù)的完整性。

　　存儲單元面積越小，裸片的面積也就越小。在這種情況下，NAND就能夠為當今的低成本消費市場提供存儲容量更大的閃存產(chǎn)品。NAND閃存用于幾乎所有可擦除的存儲卡。NAND的復用接口為所有最新的器件和密度都提供了一種相似的引腳輸出。這種引腳輸出使得設(shè)計工程師無須改變電路板的硬件設(shè)計，就能從更小的密度移植到更大密度的設(shè)計上。

與NOR閃存比較編輯

　　NAND閃存的優(yōu)點在于寫(編程)和擦除操作的速率快，而NOR的優(yōu)點是具有隨機存取和對字節(jié)執(zhí)行寫(編程)操作的能力(見下圖圖2)。NOR的隨機存取能力支持直接代碼執(zhí)行(XiP)，而這是嵌入式應用經(jīng)常需要的一個功能。NAND的缺點是隨機存取的速率慢，NOR的缺點是受到讀和擦除速度慢的性能制約。NAND較適合于存儲文件。如今，越來越多的處理器具備直接NAND接口，并能直接從NAND(沒有NOR)導入數(shù)據(jù)。

　　編程速度快、擦除時間短

　　NAND的真正好處是編程速度快、擦除時間短。NAND支持速率超過5Mbps的持續(xù)寫操作，其區(qū)塊擦除時間短至2ms，而NOR是750ms。顯然，NAND在某些方面具有絕對優(yōu)勢。然而，它不太適合于直接隨機存取。

　　對于16位的器件，NOR閃存大約需要41個I/O引腳；相對而言，NAND器件僅需24個引腳。NAND器件能夠復用指令、地址和數(shù)據(jù)總線，從而節(jié)省了引腳數(shù)量。復用接口的一項好處，就在于能夠利用同樣的硬件設(shè)計和電路板，支持較大的NAND器件。由于普通的TSOP-1封裝已經(jīng)沿用多年，該功能讓客戶能夠把較高密度的NAND器件移植到相同的電路板上。NAND器件的另外一個好處顯然是其封裝選項：NAND提供一種厚膜的2Gb裸片或能夠支持最多四顆堆疊裸片，容許在相同的TSOP-1封裝中堆疊一個8Gb的器件。這就使得一種封裝和接口能夠在將來支持較高的密度。

　　NOR閃存的隨機存取時間為0.12ms，而NAND閃存的第一字節(jié)隨機存取速度要慢得多

　　以2Gb NAND器件為例，它由2048個區(qū)塊組成，每個區(qū)塊有64個頁

　　2GB NAND閃存包含2,048個區(qū)塊

基本操作編輯

　　每一個頁均包含一個2048字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)和64字節(jié)的空閑區(qū)，總共包含2,112字節(jié)。空閑區(qū)通常被用于ECC、耗損均衡(wear leveling)和其它軟件開銷功能，盡管它在物理上與其它頁并沒有區(qū)別。NAND器件具有8或16位接口。通過8或16位寬的雙向數(shù)據(jù)總線，主數(shù)據(jù)被連接到NAND存儲器。在16位模式，指令和地址僅僅利用低8位，而高8位僅僅在數(shù)據(jù)傳輸周期使用。

　　擦除區(qū)塊所需時間約為2ms。一旦數(shù)據(jù)被載入寄存器，對一個頁的編程大約要300μs。讀一個頁面需要大約25μs，其中涉及到存儲陣列訪問頁，并將頁載入16,896位寄存器中。

　　接口由6個主要控制信號構(gòu)成

　　除了I/O總線，NAND接口由6個主要控制信號構(gòu)成：

　　1.芯片啟動(Chip Enable, CE#)：如果沒有檢測到CE信號，那么，NAND器件就保持待機模式，不對任何控制信號作出響應。

　　2.寫使能(Write Enable, WE#): WE#負責將數(shù)據(jù)、地址或指令寫入NAND之中。

　　3.讀使能(Read Enable, RE#): RE#允許輸出數(shù)據(jù)緩沖器。

　　4.指令鎖存使能(Command Latch Enable, CLE): 當CLE為高時，在WE#信號的上升沿，指令被鎖存到NAND指令寄存器中。

　　5.地址鎖存使能(Address Latch Enable, ALE)：當ALE為高時，在WE#信號的上升沿，地址被鎖存到NAND地址寄存器中。

　　6.就緒/忙(Ready/Busy, R/B#)：如果NAND器件忙，R/B#信號將變低。該信號是漏極開路，需要采用上拉電阻。

　　數(shù)據(jù)每次進/出NAND寄存器都是通過16位或8位接口。當進行編程操作的時候，待編程的數(shù)據(jù)進入數(shù)據(jù)寄存器，處于在WE#信號的上升沿。在寄存器內(nèi)隨機存取或移動數(shù)據(jù)，要采用專用指令以便于隨機存取。

　　數(shù)據(jù)寄存器輸出數(shù)據(jù)的方式

　　數(shù)據(jù)寄存器輸出數(shù)據(jù)的方式與利用RE#信號的方式類似，負責輸出現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，并增加到下一個地址。WE#和RE#時鐘運行速度極快，達到30ns的水準。當RE#或CE#不為低的時候，輸出緩沖器將為三態(tài)。這種CE#和RE#的組合使能輸出緩沖器，容許NAND閃存與NOR、SRAM或DRAM等其它類型存儲器共享數(shù)據(jù)總線。該功能有時被稱為“無需介意芯片啟動(chip enable don't care)”。這種方案的初衷是適應較老的NAND器件，它們要求CE#在整個周期為低(譯注：根據(jù)上下文改寫)。

　　輸入寄存器接收到頁編程(80h)指令時，內(nèi)部就會全部重置為1s，使得用戶可以只輸入他想以0位編程的數(shù)據(jù)字節(jié)

　　帶有隨機數(shù)據(jù)輸入的編程指令。該指令只需要后面跟隨著數(shù)據(jù)的2個字節(jié)的地址

　　指令周期

　　所有NAND操作開始時，都提供一個指令周期

　　當輸出一串WE#時鐘時，通過在I/O位7：0上設(shè)置指令、驅(qū)動CE#變低且CLE變高，就可以實現(xiàn)一個指令周期。注意：在WE#信號的上升沿上，指令、地址或數(shù)據(jù)被鎖存到NAND器件之中。如表1所示，大多數(shù)指令在第二個指令周期之后要占用若干地址周期。注意：復位或讀狀態(tài)指令例外，如果器件忙，就不應該發(fā)送新的指令。

　　注意：因為最后一列的位置是2112，該最后位置的地址就是08h(在第二字節(jié)中)和3Fh(在第一字節(jié)中)。PA5:0指定區(qū)塊內(nèi)的頁地址，BA16:6指定區(qū)塊的地址。雖然大多編程和讀操作需要完整的5字節(jié)地址，在頁內(nèi)隨機存取數(shù)據(jù)的操作僅僅用到第一和第二字節(jié)。塊擦除操作僅僅需要三個最高字節(jié)(第三、第四和第五字節(jié))來選擇區(qū)塊。

　　總體而言，NAND的基本操作包括：復位(Reset, FFh)操作、讀ID(Read ID, 00h)操作、讀狀態(tài)(Read Status, 70h)操作、編程(Program)操作、隨機數(shù)據(jù)輸入(Random data input, 85h)操作和讀(Read)操作等。

連接到處理器編輯

　　選擇內(nèi)置NAND接口的處理器或控制器的好處很多。如果沒有這個選擇，有可能在NAND和幾乎任何處理器之間設(shè)計一個“無粘接邏輯(glueless)”接口。NAND和NOR閃存的主要區(qū)別是復用地址和數(shù)據(jù)總線。該總線被用于指定指令、地址或數(shù)據(jù)。CLE信號指定指令周期，而ALE信號指定地址周期。利用這兩個控制信號，有可能選擇指令、地址或數(shù)據(jù)周期。把ALE連接到處理器的第五地址位，而把CLE連接到處理器的第四地址位，就能簡單地通過改變處理器輸出的地址，任意選擇指令、地址或數(shù)據(jù)。這容許CLE和ALE在合適的時間自動設(shè)置為低。

　　為了提供指令，處理器在數(shù)據(jù)總線上輸出想要的指令，并輸出地址0010h；為了輸出任意數(shù)量的地址周期，處理器僅僅要依次在處理器地址0020h之后輸出想要的NAND地址。注意，許多處理器能在處理器的寫信號周圍指定若干時序參數(shù)，這對于建立合適的時序是至關(guān)重要的。利用該技術(shù)，你不必采用任何粘接邏輯，就可以直接從處理器存取指令、地址和數(shù)據(jù)。

多層單元編輯

　　多層單元(MLC)的每一個單元存儲兩位，而傳統(tǒng)的SLC僅僅能存儲一位。MLC技術(shù)有顯著的密度優(yōu)越性，然而，與SLC相比(表3)，其速度或可靠性稍遜。因此，SLC被用于大多數(shù)媒體卡和無線應用，而MLC器件通常被用于消費電子和其它低成本產(chǎn)品。

　　NAND需要ECC以確保數(shù)據(jù)完整性

　　NAND閃存的每一個頁面上都包括額外的存儲空間，它就是64個字節(jié)的空閑區(qū)(每512字節(jié)的扇區(qū)有16字節(jié))。該區(qū)能存儲ECC代碼及其它像磨損評級或邏輯到物理塊映射之類的信息。ECC能在硬件或軟件中執(zhí)行，但是，硬件執(zhí)行有明顯的性能優(yōu)勢。在編程操作期間，ECC單元根據(jù)扇區(qū)中存儲的數(shù)據(jù)來計算誤碼校正代碼。數(shù)據(jù)區(qū)的ECC代碼然后被分別寫入到各自的空閑區(qū)。當數(shù)據(jù)被讀出時，ECC代碼也被讀出；運用反操作可以核查讀出的數(shù)據(jù)是否正確。

　　有可能采用ECC算法來校正數(shù)據(jù)錯誤

　　能校正的錯誤的數(shù)量取決于所用算法的校正強度。在硬件或軟件中包含ECC，就提供了強大的系統(tǒng)級解決方案。最簡單的硬件實現(xiàn)方案是采用簡單的漢明(Simple Hamming)碼，但是，只能校正單一位錯誤。瑞德索羅門(Reed-Solomon)碼提供更為強大的糾錯，并被控制器廣為采用。此外，BCH碼由于比瑞德索羅門方法的效率高，應用也日益普及。LSI SHIELD技術(shù)采用多級ECC模式，對SSD進行優(yōu)化的高級糾錯功能解決NAND閃存存儲器的可靠性降低和使用壽命縮短等問題。

　　要用軟件執(zhí)行NAND閃存的區(qū)塊管理

　　該軟件負責磨損評級或邏輯到物理映射。該軟件還提供ECC碼，如果處理器不包含ECC硬件的話。

　　編程或擦除操作之后，重要的是讀狀態(tài)寄存器，因為它確認是否成功地完成了編程或擦除操作。如果操作失敗，要把該區(qū)塊標記為損壞且不能再使用。以前已編寫進去的數(shù)據(jù)要從損壞的區(qū)塊中搬出，轉(zhuǎn)移到新的(好的)存儲塊之中。2Gb NAND的規(guī)范規(guī)定，它可以最多有40個壞的區(qū)塊，這個數(shù)字在器件的生命周期(額定壽命為10萬次編程/擦除周期)內(nèi)都適用。一些有壞塊的NAND器件能夠出廠，主要就歸根于其裸片面積大。管理器件的軟件負責映射壞塊并由好的存儲塊取而代之。

　　軟件通過掃描塊可以確定區(qū)塊的好壞

　　利用工廠對這些區(qū)塊的標記，軟件通過掃描塊可以確定區(qū)塊的好壞。壞塊標記被固定在空閑區(qū)的第一個位置(列地址2048)。如果在0或1頁的列地址2048上的數(shù)據(jù)是“non-FF”，那么，該塊要標記為壞，并映射出系統(tǒng)。初始化軟件僅僅需要掃描所有區(qū)塊確定以確定哪個為壞，然后建一個壞塊表供將來參考。

　　小心不要擦除壞塊標記

　　這一點很重要。工廠在寬溫和寬電壓范圍內(nèi)測試了NAND；一些由工廠標記為壞的區(qū)塊可能在一定的溫度或電壓條件下仍然能工作，但是，將來可能會失效。如果壞塊信息被擦除，就無法再恢復。

　　其他

　　另外，NAND在某些地方，尤其是數(shù)字電路，和vhdl等一些描述語言中代表與非，或是與非門的意思