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深度分析Nand Flash—硬件实现机制

2017-02-09 13:06:22来源:中存储
导读: Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次,也就是单个内存单元中,是存储1位数据,还是多位数据,可以分为SLC和MLC

最近看了好久的Nand Flash,总算是有了一点感觉,但一直没有系统的整理一下,脑子里很乱,今天刚好公司的很多人都出去旅游了,所以工作不是很忙,就在这里好好整理一下吧。首先当然是最基础的了,Nand Flash的硬件实现机制。

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入硬盘,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MOSFET,里面有个悬浮门(Floating Gate),是真正存储数据的单元。在Flash之前,紫外线可擦除(uv-erasable)的EPROM,就已经采用用Floating Gate存储数据这一技术了。

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,取决于图中的外部门(external 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。

【SLC和MLC的实现机制】Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次,也就是单个内存单元中,是存储1位数据,还是多位数据,可以分为SLC和MLC:

1.SLC,Single Level Cell:

单个存储单元,只存储一位数据,表示成1或0.

就是上面介绍的,对于数据的表示,单个存储单元中内部所存储电荷的电压,和某个特定的阈值电压Vth,相比,如果大于此Vth值,就是表示1,反之,小于Vth,就表示0.

对于nand Flash的数据的写入1,就是控制External Gate去充电,使得存储的电荷够多,超过阈值Vth,就表示1了。而对于写入0,就是将其放电,电荷减少到小于Vth,就表示0了。

关于为何Nand Flash不能从0变成1,我的理解是,物理上来说,是可以实现每一位的,从0变成1的,但是实际上,对于实际的物理实现,出于效率的考虑,如果对于,每一个存储单元都能单独控制,即,0变成1就是,对每一个存储单元单独去充电,所需要的硬件实现就很复杂和昂贵,同时,所进行对块擦除的操作,也就无法实现之前的,一闪而过的速度了,也就失去了Flash的众多特性了。

 2.      MLC,Multi Level Cell:

与SLC相对应,就是单个存储单元,可以存储多个位,比如2位,4位等。其实现机制,说起来比较简单,就是,通过控制内部电荷的多少,分成多个阈值,通过控制里面的电荷多少,而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如,假设输入电压是Vin=4V(实际没有这样的电压,此处只是为了举例方便),那么,可以设计出2的2次方=4个阈值,1/4的Vin=1V,2/4的Vin=2V,3/4的Vin=3V,Vin=4V,分别表示2位数据00,01,10,11,对于写入数据,就是充电,通过控制内部的电荷的多少,对应表示不同的数据。

对于读取,则是通过对应的内部的电流(与Vth成反比),然后通过一系列解码电路完成读取,解析出所存储的数据。这些具体的物理实现,都是有足够精确的设备和技术,才能实现精确的数据写入和读出的。单个存储单元可以存储2位数据的,称作2的2次方=4 Level Cell,而不是2 Level Cell,这点,之前差点搞晕了。。。,同理,对于新出的单个存储单元可以存储4位数据的,称作2的4次方=16 Level Cell。 

【关于如何识别SLC还是MLC】Nand Flash设计中,有个命令叫做Read ID,读取ID,意思是读取芯片的ID,就像大家的身份证一样,这里读取的ID中,是读取好几个字节,一般最少是4个,新的芯片,支持5个甚至更多,从这些字节中,可以解析出很多相关的信息,比如此Nand Flash内部是几个芯片(chip)所组成的,每个chip包含了几片(Plane),每一片中的页大小,块大小,等等。在这些信息中,其中有一个,就是识别此flash是SLC还是MLC。下面这个就是最常见的Nand Flash的datasheet中所规定的,第3个字节,3rd byte,所表示的信息,其中就有SLC/MLC的识别信息。

总结一下:Nand Flash也是一种Rom,通俗一点理解就是可以当做硬盘用,也就是说掉电后,上面的数据还在。

Nand Flash分为SLC和MLC两种实现机制,主要是根据其单个内存单元所能存放数据的位数,SLC只能存放一位数据,

Nand Flash的操作:对其写如数据1,就是一个充电的过程,写入数据0,是一个放电的过程。数据是1还是0主要是根据所设定的阀值电压决定的


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关键词 :
Nand FlashSLCMLC
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