Flash存储器

Flash存储器
引言
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展,我们正迈向一个信息社会。

信息社会离不开信息的存贮。

近半个世纪以来,人们不断地探索存贮新技术,形成了品种繁多的存储器家族,其中的半导体不挥发性存储器( No n-V olatile Semiconductor Memory )因其具有掉电仍能保持信息的特点而成为存储器家族的热门领域。

不挥发性存储器的发展经历了从ROM、PROM、EEPROM 到Flash 存储器的各个阶段。

Flash存储器简介
Flash 存储器又称闪存，是在20世纪80年代末逐渐发展起来的一种新型不挥发性半导体存储器,它结合了以往EPROM 结构简单、密度高和EEPROM 在系统的电可擦除性的一些优点,实现了高密度、低成本和高可靠性，不仅具备电子可擦除可编写（EEPROM）的性能，还不会断电丢失数据，同时可以快速读取数据。

Flash 是由一组可独立擦除的1KB 区块所构成的，对一个区块进行擦除将使该区块的全部内容复位为1。

flash存储器的编程写入的地址必须以字（4个字节）为单位对齐，且指明要写入的具体地址。

也就是说可以是任意地址，但必须满足写入的地址是字对齐的。

Flash存储器的读取也可以是任意地址的数据，但必须满足读取的地址是字对齐的，否则，读出的数据绝对不正确，结果也难以预料。

对flash存储器的操作一般是进行读、写和擦除。

存储器和传统存储器的最大区别在于它是按块( sector)擦除,按位编程,从而实现了快闪擦除的高速度。

另外,Flash存储器的擦除必须是以1kb为单位对齐的地址并指定哪一区块被擦除，或者全部擦除。

即以区块为flash擦除的最小单位。

块擦除还使单管单元的实现成为可能,从而解决了器件尺寸缩小和高集成度的问题。

Flash存储器以其优越的性能,成为半导体存储器市场中发展最为迅速的一种,它广泛应用于PCBIO S 、数字蜂窝电话、汽车领域和微控制器等许多领域,并为目前较大容量磁介质存贮媒体提供了一种理想的替代产品[ 1]。

工艺技术的进步和Flash 技术的不断成熟使Flash 存储器集成度迅速提高,目前已经达到 1 Gbit同时,其价格也随之不断下降,并能与DRAM 相比拟。

未来，Flash存储器的发展主要集中在高集成度、高可靠性和嵌入式应用上。

随着集成度的进一步提高,,发展更小尺寸的存储单元,小尺寸器件的可靠性问题以及外围高低压CMO S兼容工艺的开发将显得尤为重要。

Flash存储器的发展
1956年出现的“库珀对”及BCS理论被认为是对超导现象的完美解释。

1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈利用隧道效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管）
1960年，美裔挪威籍科学家加诶沃通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。

1962年，英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940～）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS
（Superconductor-Insulator-Superconductor）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。

不久P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。

宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。

Flash存储器的基本操作
编程操作：实际上是写操作。

所有存储元的原始状态均处“1”状态，这是因
为擦除操作时控制栅不加正电压。

编程操作的目的是为存储元的浮空栅补充电子，从而使存储元改写成“0”状态。

如果某存储元仍保持“1”状态，则控制栅就不加正电压。

读取操作：控制栅加上正电压。

浮空栅上的负电荷量将决定是否可以开启MOS
晶体管。

如果存储元原存1，可认为浮空栅不带负电，控制栅上的正电压足以开启晶体管。

如果存储元原存0，可认为浮空栅带负电，控制栅上的正电压不足以
当MOS晶体管开启导通时，电源VD提供从漏极D到源极S的电流。

读出电路检测到有电流，表示存储元中存1，若读出电路检测到无电流，表示存储元中存0，如图(b)所示。

擦除操作：所有的存储元中浮空栅上的负电荷要全部洩放出去。

为此晶体管源
极S加上正电压，这与编程操作正好相反，见图(c)所示。

源极S上的正电压吸收浮空栅中的电子，从而使全部存储元变成1状态。

Flash存储器的分类
全球闪速存储器的技术主要掌握在AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技术架构的不同，分为几大阵营。

1. NOR技术
NOR技术（亦称为Linear技术）闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。

它源于传统的EPROM器件，与其它
Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。

NOR技术Flash Memory具有以下特点：(1) 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash 中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；(2)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。

由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。

不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如CompactFlash卡中继续看好这种技术。

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。

2. NAND技术
NAND 闪存的存储单元则采用串行结构，存储单元的读写是以页和块为单位来进行（一页包含若干字节，若干页则组成储存块，NAND 的存储块大小为8 到32KB ），这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，超过512MB 容量的NAND 产品相当普遍，NAND 闪存的成本较低，有利于大规模普及。

NAND 闪存的缺点在于读速度较慢，它的I/O 端口只有8 个，比NOR 要少多了。

这区区8 个I/O 端口只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送，速度要比NOR 闪存的并行传输模式慢得多。

再加上NAND 闪存的逻辑为电子盘模块结构，内部不存在专门的存储控制器，一旦出现数据坏块将无法修，可靠性较NOR 闪存要差。

NAND 闪存被广泛用于移动存储、数码相机、MP3 播放器、掌上电脑等新兴数字设备中。

由于受到数码设备强劲发展的带动，NAND 闪存一直呈现指数级的超高速增长。

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。

3. AND技术
AND技术是Hitachi公司的专利技术。

Hitachi和Mitsubishi共同支持AND 技术的Flash Memory。

AND技术与NAND一样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。

Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18μm的制造工艺，并结合MLC技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用双密度封装技术DDP（Double Density Package Technolog y），将2片512Mb芯片叠加在1片TSOP48的封装内，形成一片1Gb芯片。

HN29V51211T 具有突出的低功耗特性，读电流为2mA，待机电流仅为1μA，同时由于其内部存在与块大小一致的内部RAM缓冲区，使得AND技术不像其他采用MLC的闪速存储器技术那样写入性能严重下降。

Hitachi公司用该芯片制造128MB的MultiMedia卡和2MB的PC-ATA卡，用于智能电话、个人数字助理、掌上电脑、数字相机、便携式摄像机、便携式音乐播放机等。

4. 由EEPROM派生的闪速存储器
EEPROM具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。

部分制造商生产出另一类以EEPROM做闪速存储阵列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存储器（Data-F lash Memory）。

这类器件具有EEPROM与NOR技术Flash Memory二者折衷的性能特点：(1)读写的灵活性逊于EEPROM，不能直接改写数据。

在编程之前需要先进行页擦除，但与NOR技术Flash Memory的块结构相比其页尺寸小，具有快速随机读取和快编程、快擦除的特点。

(2)与EEPROM比较，具有明显的成本优势。

(3)存储密度比EEPROM大，但比NOR技术Flash Memory小，如
Small Sector Flash Memory的存储密度可达到4Mb，而32Mb的
DataFlash Memory芯片有试用样品提供。

正因为这类器件在性能上的灵活性和成本上的优势，使其在如今闪速存储器市场上仍占有一席之地。

NOR和NAND接口差别与性能比较
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。

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。

性能比较
f lash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5ms,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5ms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。

参考文献：--------------------《Flash存储器技术与发展》——潘立阳，朱钧--------------------《计算机组成原理》——白中英，等
--------------------《百度文库》。