NAND flash和NOR flash的區別詳解

2016/03/23 來源：21IC中國電子網 我們使用的智慧型手機除了有一個可用的空間(如蘋果8G、16G等)，還有一個RAM容量，很多人都不是很清楚，為什麼需要二個這樣的晶片做存儲呢，這就是我們下面要講到的。這二種存儲設備我們都統稱為「FLASH」，FLASH是一種存儲晶片，全名叫Flash EEPROM Memory，通地過程序可以修改數據，即平時所說的「快閃記憶體」。Flash又分為NAND flash和NOR flash二種。U盤和MP3里用的就是這種存儲器。 相「flash存儲器」經常可以與相「NOR存儲器」互換使用。許多業內人士也搞不清楚NAND快閃記憶體技術相對於NOR技術的優越之處，因為大多數情況下快閃記憶體只是用來存儲少量的代碼，這時NOR快閃記憶體更適合一些。而NAND則是高數據存儲密度的理想解決方案。NOR Flash 的讀取和我們常見的 SDRAM 的讀取是一樣，用戶可以直接運行裝載在 NOR FLASH 裡面的代碼，這樣可以減少 SRAM 的容量從而節約了成本。 NAND Flash 沒有採取內存的隨機讀取技術，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的， 通常是一次讀取 512 個字節，採用這種技術的 Flash 比較廉價。用戶 不能直接運行 NAND Flash 上的代碼，因此好多使用 NAND Flash 的開發板除了使用 NAND Flah 以外，還作上了 一塊小的 NOR Flash 來運行啟動代碼。 NOR flash是intel公司1988年開發出了NOR flash技術。NOR的特點是晶片內執行(XIP, eXecute In Place)，這樣應用程式可以直接在flash 快閃記憶體內運行，不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR的傳輸效率很高，在1～4MB的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除 速度大大影響了它的性能。 ... Nand-flash內存是flash內存的一種，1989年，東芝公司發表了NAND flash結構。其內部採用非線性宏單元模式，為固態大容量內存的實現提供了廉價有效的解決方案。Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優點，適用於大量數據的存儲，因而在業界得到了越來越廣泛的應用，如嵌入式產品中包括數位相機、MP3隨身聽記憶卡、體積小巧的U盤等。 ... NAND flash和NOR flash原理 一、存儲數據的原理 兩種快閃記憶體都是用三端器件作為存儲單元，分別為源極、漏極和柵極，與場效應管的工作原理 相同，主要是利用電場的效應來控制源極與漏極之間的通斷，柵極的 電流消耗極小，不同 的是場效應管為單柵極結構，而 FLASH 為雙柵極結構，在柵極與矽襯底之間增加了一個浮 置柵極。[attach]158 [/attach] 浮置柵極是由氮化物夾在兩層二氧化矽材料之間構成的，中間的氮化物就是可以存儲電荷的 電荷勢阱。上下兩層氧化物的厚度大於 50 埃，以避免發生擊穿。 二、浮柵的重放電 向數據單元內寫入數據的過程就是向電荷勢阱注入電荷的過程，寫入數據有兩種技術，熱電 子注入(hot electron injection)和 F-N 隧道效應(Fowler Nordheim tunneling)，前一種是通過源 極給浮柵充電，後一種是通過矽基層給浮柵充電。NOR 型 FLASH 通過熱電子注入方式給浮 柵充電，而 NAND 則通過 F-N 隧道效應給浮柵充電。 在寫入新數據之前，必須先將原來的數據擦除，這點跟硬碟不同，也就是將浮柵的電荷放掉， 兩種 FLASH 都是通過 F-N 隧道效應放電。 三、0 和 1 這方面兩種 FLASH 一樣，向浮柵中注入電荷表示寫入了'0'，沒有注入電荷表示'1'，所以對 FLASH 清除數據是寫 1 的，這與硬碟正好相反; 對於浮柵中有電荷的單元來說，由於浮柵的感應作用，在源極和漏極之間將形成帶正電的空 間電荷區，這時無論控制極上有沒有施加偏置電壓，電晶體都將處於 導通狀態。而對於浮 柵中沒有電荷的電晶體來說只有當控制極上施加有適當的偏置電壓，在矽基層上感應出電 荷，源極和漏極才能導通，也就是說在沒有給控制極施 加偏置電壓時，電晶體是截止的。 如果電晶體的源極接地而漏極接位線，在無偏置電壓的情況下，檢測電晶體的導通狀態就可 以獲得存儲單元中的數據，如果位線上的電平為低，說明電晶體處於 導通狀態，讀取的數 據為 0，如果位線上為高電平，則說明電晶體處於截止狀態，讀取的數據為 1。由於控制柵 極在讀取數據的過程中施加的電壓較小或根本不施加 電壓，不足以改變浮置柵極中原有的 電荷量，所以讀取操作不會改變 FLASH 中原有的數據。 四、連接和編址方式 兩種 FLASH 具有相同的存儲單元，工作原理也一樣，為了縮短存取時間並不是對每個單元 進行單獨的存取操作，而是對一定數量的存取單元進行集體操作， NAND 型 FLASH 各存 儲單元之間是串聯的，而 NOR 型 FLASH 各單元之間是並聯的;為了對全部的存儲單元有 效管理，必須對存儲單元進行統一編址。 NAND 的全部存儲單元分為若干個塊，每個塊又分為若干個頁，每個頁是 512byte，就是 512 個 8 位數，就是說每個頁有 512 條位線，每條位線下 有 8 個存儲單元;那麼每頁存儲的數 據正好跟硬碟的一個扇區存儲的數據相同，這是設計時為了方便與磁碟進行數據交換而特意 安排的，那麼塊就類似硬碟的簇;容 量不同，塊的數量不同，組成塊的頁的數量也不同。 在讀取數據時，當字線和位線鎖定某個電晶體時，該電晶體的控制極不加偏置電壓，其它的 7 個都加上偏置電壓 而導通，如果這個電晶體的浮柵中有電荷就會導通使位線為低電平， 讀出的數就是 0，反之就是 1。 NOR 的每個存儲單元以並聯的方式連接到位線，方便對每一位進行隨機存取;具有專用的 地址線，可以實現一次性的直接尋址;縮短了 FLASH 對處理器指令的執行時間。 五、性能 NAND flash和NOR flash的區別 一、NAND flash和NOR flash的性能比較 flash快閃記憶體是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進行擦寫和再編程。任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行，所以大多數情況下，在進行寫入操作之前必須先執行擦除。NAND器件執行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進行擦除前先要將目標塊內所有的位都寫為0。由於擦除 NOR器件時是以64～128KB的塊進行的，執行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的塊進行的，執行相同的操作最多只需要4ms。執行擦除時塊尺寸的不同進一步拉大了NOR和NADN之間的性能差距，統計表明，對於給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基於NOR的單元中進行。這樣，當選擇存儲解決方案時，設計師必須權衡以下的各項因素。 1、NOR的讀速度比NAND稍快一些。 2、NAND的寫入速度比NOR快很多。 3、NAND的4ms擦除速度遠比NOR的5s快。 4、大多數寫入操作需要先進行擦除操作。 5、NAND的擦除單元更小，相應的擦除電路更少。 二、NAND flash和NOR flash的接口差別 NOR flash帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內部的每一個字節。 NAND器件使用複雜的I/O口來串行地存取數據，各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和數據信息。NAND讀和寫操作採用512字節的塊，這一點有點像硬碟管理此類操作，很自然地，基於NAND的存儲器就可以取代硬碟或其他塊設備。 三、NAND flash和NOR flash的容量和成本 NAND flash的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，由於生產過程更為簡單，NAND結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量，也就相應地降低了價格。 NOR flash占據了容量為1～16MB快閃記憶體市場的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的產品當中，這也說明NOR主要應用在代碼存儲介質中，NAND適合於數據存儲，NAND在CompactFlash、 Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。 四、NAND flash和NOR flash的可靠性和耐用性 採用flahs介質時一個需要重點考慮的問題是可靠性。對於需要擴展MTBF的系統來說，Flash是非常合適的存儲方案。可以從壽命(耐用性)、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。 五、NAND flash和NOR flash的壽命(耐用性) 在NAND快閃記憶體中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次，而NOR的擦寫次數是十萬次。NAND存儲器除了具有10比1的塊擦除周期優勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND存儲器塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。 六、位交換 所有flash器件都受位交換現象的困擾。在某些情況下(很少見，NAND發生的次數要比NOR多)，一個比特位會發生反轉或被報告反轉了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發生在一個關鍵文件上，這個小小的故障可能導致系統停機。如果只是報告有問題，多讀幾次就可能解決了。當然，如果這個位真的改變了，就必須採用錯誤探測/錯誤更正(EDC/ECC)算法。位反轉的問題更多見於NAND快閃記憶體，NAND的供應商建議使用NAND快閃記憶體的時候，同時使用 七、EDC/ECC算法 這個問題對於用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當然，如果用本地存儲設備來存儲作業系統、配置文件或其他敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統以確保可靠性。 八、壞塊處理 NAND器件中的壞塊是隨機分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發現成品率太低，代價太高，根本不划算。 NAND器件需要對介質進行初始化掃描以發現壞塊，並將壞塊標記為不可用。在已製成的器件中，如果通過可靠的方法不能進行這項處理，將導致高故障率。 九、易於使用 可以非常直接地使用基於NOR的快閃記憶體，可以像其他存儲器那樣連接，並可以在上面直接運行代碼。 由於需要I/O接口，NAND要複雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時，必須先寫入驅動程序，才能繼續執行其他操作。向 NAND器件寫入信息需要相當的技巧，因為設計師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進行虛擬映射。 十、軟體支持 當討論軟體支持的時候，應該區別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用於磁碟仿真和快閃記憶體管理算法的軟體，包括性能優化。 在NOR器件上運行代碼不需要任何的軟體支持，在NAND器件上進行同樣操作時，通常需要驅動程序，也就是內存技術驅動程序(MTD)，NAND和NOR器件在進行寫入和擦除操作時都需要MTD。 使用NOR器件時所需要的MTD要相對少一些，許多廠商都提供用於NOR器件的更高級軟體，這其中包括M-System的TrueFFS驅動，該驅動被 Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等廠商所採用。 驅動還用於對DiskOnChip產品進行仿真和NAND快閃記憶體的管理，包括糾錯、壞塊處理和損耗平衡。