什么是NAND Flash?

NAND闪存是一种非易失性存储器技术，它彻底改变了数字时代的数据存储。它是闪存的一种形式，这意味着它可以被电擦除和重新编程。NAND闪存以NAND（NOT-AND）逻辑门命名，该逻辑门用于其基本架构。术语“NAND”源自存储单元以串联连接结构的方式组织，类似于NAND门。该技术广泛用于各种存储设备，例如固态硬盘 （SSD）、USB 闪存驱动器、存储卡和智能手机。

(左图）NAND闪存阵列的示意图。串联连接的器件的垂直string经由由drain select line（DSL）和source select line（SSL）驱动的选择晶体管附接到bitlines 和 sourceline；
(右图)阵列沿着WL方向（a）和串方向（b）的示意性横截面（绿色＝硅，红色＝浮栅，红色＝WL，白色＝氧化硅）。（c）显示了具有基本单元(虚线)的阵列布局

NAND Flash主要特点

• 存储单元结构

NAND Flash存储器的基本存储单元是浮栅晶体管。这些晶体管可以存储一位信息（0或1），多个晶体管组合在一起形成存储单元。

• 存取方式

NAND Flash允许随机访问，但通常以页为单位进行读取和写入操作。擦除操作则以块为单位进行。

• 写入和擦除周期

NAND Flash可以经受数万到数十万次的写入和擦除周期，但它的寿命通常比NOR Flash要短。

• 速度

NAND Flash的读写速度通常比NOR Flash快，这使得它更适合用于大量数据的存储。

• 成本

由于结构相对简单，NAND Flash的单位存储成本较低，因此在大容量存储应用中更具成本效益。

• 错误率

NAND Flash比其他类型的存储器更容易出现位错误，因此通常需要错误校正码（ECC）来确保数据的完整性。

• 接口

NAND Flash设备通常通过I/O接口与控制器通信，支持多种接口标准，如ONFI（Open NAND Flash Interface Working Group）和Toggle Mode。

• 应用

由于其高存储密度和成本效益，NAND Flash在消费电子、企业存储解决方案和嵌入式系统中得到了广泛应用。

NAND Flash工作原理

NAND Flash 的存储单元是一种三端器件，与场效应管类似，包含源极、漏极和栅极，栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用于保护浮置栅极中的电荷不会泄漏，从而使存储单元具有电荷保持能力。其擦除和写入数据基于隧道效应，即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）。
NAND Flash 通过在存储单元中存储电荷来表示数据。每个存储单元可以存储一个或多个比特的数据。在写入数据时，电子被注入到存储单元中；在读取数据时，通过检测存储单元中的电荷状态来确定存储的数据。擦除数据时，通过施加高电压将存储单元中的电荷释放掉。

NAND Flash基于浮栅晶体管，浮栅晶体管排列成网格状阵列。每个晶体管有两个栅极：一个控制栅极和一个浮动栅极。浮动栅极由氧化层电隔离，使其能够捕获电子。浮栅上电子的存在与否决定了存储单元的二进制状态，代表“0”或“1”。

读取数据
为了从NAND闪存单元读取数据，需要向控制门施加电压。如果浮栅上存在电子，晶体管将不会传导电流，表示“0”状态。如果浮栅为空，晶体管将传导电流，表示“1”状态。

写入和擦除数据
将数据写入NAND闪存单元涉及称为Fowler-Nordheim隧道的过程。对控制栅极施加高压，使电子穿过氧化层并进入浮栅，将cell设置为“0”状态。擦除数据涉及在相反方向上施加高压，从而从浮栅中去除电子，使cell回到“1”状态。

NAND闪存架构

NAND Flash 的数据是以位（bit）的方式保存在存储单元（memory cell）中，多个存储单元以 8 个或 16
个为单位连成位线（bit line），形成字节（byte）或字（word），这就是 NAND 器件的位宽。

这些位线再组成页（page），每页包含一定数量的字节，通常还有一部分额外的空间用于存储纠错码等信息。多个页又组成块（block）。NAND Flash 以页为单位进行读写操作，以块为单位进行擦除操作。

NAND闪存单元组织在一个串联的字符串中，称为NAND字符串。多个NAND串形成一个块，多个块形成一个平面。NAND闪存芯片由一个或多个平面组成。这种分层结构可实现高存储密度和快速读写操作。

NAND闪存根据每个存储单元存储的位数可分为两种主要类型：

• Single-Level Cell（SLC）

每个存储单元存储一位数据，表示“0”或“1”。与 MLC 相比，SLC NAND 闪存提供更快的读写速度、更高的耐用性和更低的功耗。

• Multi-Level Cell（MLC）

每个存储单元使用多个电压电平存储两个或更多位数据。与 SLC 相比，MLC NAND 闪存可实现更高的存储密度和更低的每比特成本，但代价是读取和写入速度较慢，耐久性降低。

NAND Flash发展历程

• 诞生阶段（20 世纪 80 年代）：

1987 年，时任日本东芝公司工程师岡本成之提出了 2D NAND 技术，这是 NAND Flash 的起源。当时，东芝虽然占据了市场先机，但战略重心偏向 DRAM 市场，一定程度上忽略了 NAND Flash 的发展潜力。随后，英特尔和三星等公司也迅速加入该领域，推出了自己的 2D NAND 产品。在这一阶段，NAND Flash 主要应用于一些特定的电子设备，如数字电话答录机等。

• 小型闪存卡兴起阶段（20 世纪 90 年代 - 21 世纪初）：

随着数码摄影的普及，一系列小型闪存卡应运而生，包括 PCMCIA（PC 卡）、CompactFlash、SmartMedia、MultiMediaCard（MMC）和 SecureDigital（SD）卡等，这些小型闪存卡的存储介质主要是 NAND Flash。这使得 NAND Flash 的应用范围得到了极大的扩展，市场需求也开始快速增长。

• 市场扩张阶段（21 世纪初 - 2010 年代）：

随着 NAND Flash 成本的不断降低，其应用范围进一步扩大。从数码相机扩展到了 USB 闪存驱动器，进而取代了软盘和可写 CD 等传统存储设备。同时，音频播放设备从传统的磁带和 CD 播放器转变为 MP3 播放器，也推动了 NAND Flash 的需求增长。在这一时期，NAND Flash 逐渐成为了主流的存储技术之一，市场规模不断扩大。

• 3D NAND 技术发展阶段（2010 年代 - 至今）：

技术概念
提出 2007 年，东芝推出 BICS 类型的 3D NAND，标志着 NAND Flash技术从二维平面堆叠向三维立体堆叠的转变。这种技术通过在垂直方向上堆叠存储单元，大大提高了存储密度，为 NAND Flash的进一步发展提供了新的方向。

商业化量产
2013 年，三星推出第一代 V-NAND（三星自称 3D NAND 为 V-NAND）闪存并投入量产，虽然该款堆叠层数仅为
24 层，但在当时却打破了平面技术的瓶颈，并使 3D NAND 从技术概念推向了商业市场。

层数不断增加
从 2014 年开始，各大厂商纷纷推出更高层数的 3D NAND 产品。例如，三星陆续推出了 32 层、48 层、64层、96 层、128 层、176 层等不同层数的 V-NAND；SK 海力士按照 48 层、72 层 / 76 层、96 层、128 层、176 层、238 层的顺序陆续推出闪存新产品；美光也在不断提高其 3D NAND 的层数。

技术持续演进
在 3D NAND 技术发展的过程中，厂商们还在不断改进和优化技术，以提高存储性能、降低成本。例如，长江存储自研出了Xtacking 架构，大幅度提高了存储密度。