Flash 简介

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如硬盘，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的内部存储是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET)，里面有个浮栅门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

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，取决于图中的控制门（Control 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。

FLASH的分类：功能特性分为两种：一种是NOR型闪存，以编码应用为主，其功能多与运算相关；另一种为NAND型闪存，主要功能是存储资料，如数码相机中所用的记忆卡。

关于NAND Flash 和 NOR Flash 的差别，可参考我之前的文章。

NOR Flash 和 NAND Flash 闪存详解_存储元的博客-CSDN博客

本文专注于NAND Flash。

 FLASH的发展历史

        1.在1984年，东芝公司的发明人Fujio Masuoka首先提出了快速闪存存储器(此处简称闪存)的概念。
        2.NAND闪存由东芝公司于1989年研制，并被认为是NOR闪存的理想替代者。
        3.MLC是英特尔（Intel）在1997年9月最先开发成功的

        4. 3D NAND 是 2014 年由Micron 和 英特尔（Intel）联合研发的。
 

NAND Flash的架构

如上图所示，这是一个8Gb 50nm的SLC颗粒内部架构。

每个page有33,792个单元，每个单元代表1bit(SLC)，所以每个page就是4096Byte + 128Byte（SA）。
每个Block有64个page组成，所以每个Block容量为262,114Byte + 8192Byte （SA）

page是NAND Flash上最小的读/写单位（一个page上的单元共享一根字符线Word line），块是最小的擦除单位（。不同厂牌不同型号颗粒有不同的page和block大小。

下图是个8Gb 50nm的SLC颗粒。

4KB的页尺寸，256KB的块尺寸。图中4096字节用于存储数据，另外128字节用来做管理和ECC用。

Flash 的物理学原理

经典物理学认为
物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能
量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能
靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。
量子力学则认为
即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有
一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作“量子隧道（quantum tunneling）”。
可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧
道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特定的条件下宏
观的隧道效应也会出现。

1957 年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940～）在改良高频 晶体管 2T7 的过程中发现，当增加 PN 结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后，江崎利用这一效应制成了隧
道二极管（也称江崎二极管）。1960 年，美裔挪威籍科学家加埃沃（Ivan Giaever，1929～）通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956 年出现的“库珀对”及 BCS 理论被公认为是对超导现象的完美解释，单电
子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。1962 年，年仅 20 岁的英国剑桥
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。约瑟夫森的这一预言不久就为 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。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。

闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。

与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND 型闪存的擦和写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。而 NOR 型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。

场效应管工作原理
场效应晶体管（Field EffectTransistor 缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电, 因此称为双极型晶体管,而 FET 仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作
区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

 Flash 工作原理

在每个闪存芯片中都有海量的存储单元，有三个场效应管，源极、漏极和栅极。下图是一个闪存存储单元示意图，从上到下分别是控制栅极（Control Gate）、氧化层、浮栅层（Floating Gate）、隧道氧化层和衬底（Substrate）。左侧是源级（Sources）右侧是漏级（Drain），电流只能从源级向漏级单向传导。

闪存记录数据的关键在于浮栅层，当其中被充满电子时是已编程（写入）状态，代表二进制0；当其中没有电子时是已擦除状态，代表二进制1。

上面的这个0和1的逻辑听起来有些颠倒，不过当你了解到闪存的读取原理后就会觉得这样才是对的：源级到漏级之间没有电流（0），说明浮栅中有电子。

当源级到漏级之间有电流（1），说明浮栅里没有电子。

以上就是从闪存中读取数据的原理，往复杂了说它涉及到MOS管等复杂的半导体知识，但是如果朝简单的方向理解，我们也能轻松理解闪存表达数据的原理。

 

NAND Flash写入原理

对于NAND Flash的写入（编程)，就是控制Control Gate去充电（对Control Gate加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。

接下来是向闪存单元中写入数据的方法：在控制栅极和漏级之间施加一个20V高电压，就可以引发量子隧道效应，使电子进入到浮栅层中。由于氧化隧道层的绝缘效果，进入到浮栅层的电子不容易流失掉，所以闪存可以在断电后继续保留数据。

NAND Flash 擦除原理

对于NAND Flash的擦除(Erase)，就是对悬浮门放电，低于阀值Vth，就表示1。

反过来也可以使用20V高电压反向将浮栅层中的电子“抽离”出去，这就是闪存的擦除操作。闪存的独特工作原理决定了闪存单元在写入之前必须经过擦除，而不能像磁记录那样直接覆盖写入。

SLC、MLC、TLC、QLC 差异

对于原始的SLC闪存而言，一个存储单元只需保留一比特数据，非0即1，判断起来非常简单。SLC闪存速度快、寿命长，但容量小、每GB容量成本过高，不适合家用电脑的固态硬盘。

MLC闪存可以在每个存储单元中存储2比特数据，即00、01、10、11四种状态，浮栅层中的电荷数等级需要更加精细化。

 
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由上图可以看到，MLC和SLC虽然使用相同的电压值，但是电压之间的阀值被分成了4份

到了TLC闪存（3比特/单元），状态数量达到8种，而QLC闪存（4比特/单元）的状态数量高达16种。

NAND FLASH 从 SLC -> MLC -> TLC -> QLC，每个单元存储的比特数增加，这样晶圆的存储密度会成倍提高，但对应的整卡可写入/擦除次数(P/E Cycle) 也降低（意味着寿命也越短），读写性能会越差。最重要的单位GB的成本会更低，芯片的成本是和面积直接相关的。面积越小，一个晶圆切出的Die(片)数目就更多，单Die的成本就降下来了。

各大原厂孜孜不倦地提高每个单元的比特数，目的就是为了减少成本，成本才是王道！

NAND Flash 使用挑战在哪里

挑战1：需要先擦除才能写入。
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当今的NAND Flash可以读/写一个page，但是必须以block大小擦除。

擦除操作就是让块中所有的bit变为1，从一个干净的“已擦除”状态的block重新开始。当里面的页变为0后，只有擦除整个块才能让这个页变为1。为了尽量减少擦除的次数，成熟的块管理技术必不可少。

挑战2：读/写干扰。

NAND Flash的电荷非常不稳定，在读/写中很容易对邻近的单元造成干扰，干扰后会让附近单元的电荷脱离实际的逻辑数值，造成bit出错，因为阀值接近的关系，MLC相对SLC来说更容易受到干扰。
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读取干扰
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写入干扰

读取干扰指的是在读取某个page时，邻近的bit会受到升高电压的干扰，造成bit出错。写入干扰指的是，某个page在写入时，邻近bit的电压也被升高了，造成bit出错。相对写入干扰来说，读取干扰明显小的多。在读/写干扰中，可能造成某些bit被改变，结果造成数据出错。所以需要在返回数据给主机前，用ECC/EDC算法来纠正这些bit的错误。随着闪存工艺的提升，同样大小的晶片上被封装入更多的单元，造成干扰越来越厉害，所以需要更强大的ECC/EDC来纠正bit。

挑战3：数据保存期限

数据保存期指的是当完全断电后，数据能在NAND Flash里保存多久。NAND单元必须保证一个稳定的电压水平，来保证数据是有效的。典型的SLC一般为10年。电荷从悬浮门里漏出，我们叫做电子迁移，当随着时间的流逝，电荷泄漏到一定程度，改变了NAND单元里悬浮门的电压对应的逻辑值，这样就造成bit出错。
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数据保存期会随着擦写次数的增加而明显降低，而且从上面的原理中看出，MLC的数据保存期明显会比SLC少。（更容易被干扰)

挑战4：坏块

NAND Flash里有2种坏块类型：

1，出厂坏块：由于为了保证产量和控制成本,出厂的NAND Flash某些就会有坏块。厂商保证SLC出厂坏块低于2%，MLC出厂坏块低于5%。
2，积累坏块：在多次的写入/擦除循环中，某些NAND单元的电荷电压被永久性的改变了，那就意味着包含这个NAND单元不可用了。

所以固态硬盘需要有坏块管理才能使用，主控制器用坏块表来映射出厂坏块和积累坏块到坏块区内，出厂时，颗粒的第一个块Block 0厂商会保证是可用的（至少ECC后可用）。

挑战5：擦写次数限制

造成NAND Flash有擦写次数限制的主要有2个因素：

1，电荷被困在氧化层，不能进入悬浮门。
2，氧化层结构被破坏。
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如图，一旦氧化层损坏到达一定程度，造成电荷越来越难在P-substrate和悬浮门之间交流。电荷被困在氧化层造成悬浮门中的电压到不了阀值，所以说这个NAND单元就要被放入坏块区了。

当前主流SLC的P/E为10万次，50nm MLC为1万次，3xnm的MLC为5000次。到了这个数字并不意味着就不能用了，这个只是代表平均寿命，也就是说到了这个次数后，坏块就会开始大量增加了。

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https://blog.csdn.net/qq_41371349/article/details/104927524

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