什么是NAND Flash? NAND Flash现代存储技术的基础知识

在数字世界，用户存储在SSD上的数据最终会被保存至非易失性存储介质，而存储介质的特性直接影响SSD的主控和固件设计。NAND Flash是当前电子设备中常见的非易失性存储介质，下面我们将为大家讲解NAND Flash的基本原理和特性。

什么是NAND Flash?

Nand Flash是一种非易失性随机访问存储介质，基于浮栅（Floating Gate）晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，电荷被存储在浮栅中，他们在无电源供应的情况下仍然可以保持。数据在Flash内存单元中是以电荷的形式存储的，存储电荷的多少取决于浮栅的外部门所被施加的电压，其控制了是向存储单元中充入电荷还是释放电荷。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。

• 对于NAND Flash的写入，就是控制Control Gate去充电（对CG加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。
• 对于NAND Flash的擦除，就是对悬浮门放点，低于阈值Vth，就表示1。

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生产过程

Nand Flash是从原始的硅材料加工出来的，硅材料被加工成晶圆（Wafer），一片晶圆可以做出几百颗Nand Flash芯片。芯片未封装前的晶粒称为Die，它是从Wafer上用激光切割而成的小片，每个Die就是一个独立的功能芯片，它由无数个晶体管电路组成，但最终可被作为一个单元封装起来成为闪存颗粒芯片，下面是Nand Flash芯片的详细加工过程。

Nand Flash的物理结构

Nand Flash的容量结构从大到小可以分为Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。一个Device有若干个Die(或者LUN)，每个Die有若干个Plane，每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应着一个WordLine。

Die/LUN是接收和执行FLASH命令的基本单元。不同的LUN可以同时接收和执行不同的命令。但在一个LUN当中，一次只能执行一个命令，不能对其中的某个Page写的同时又对其他Page进行读访问。下面详细介绍下这些结构单元和之间的联系。Device就是指单片NAND Flash，对外提供Package封装的芯片，通常包含1个或多个Target。

• Target拥有独立片选的单元，可以单独寻址，通常包含1或多个LUN；LUN也就是Die，能够独立封装的最新物理单元，通常包含多个plane。
• Plane拥有独立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K个奇数或偶数Block。
• Block是能够执行擦出操作的最小单元，通常由多个Page组成；Page是能够执行编程和读操作的最小单元，通常是4KB/8KB/16KB/32KB等。
• Cell是Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit数据，主要为颗粒类型。

下图是一个Flash Block的组织架构，每个Cell的漏极对应BL(Bitline)，栅极对应WL(Wordline)，源极都连在一起。每个Page对应着一个Wordline，通过Wordline加不同电压和不同时间长度进行各种操作。

一个WordLine对应着一个或者若干个Page，对于SLC来说一个WordLine对应着一个Page；对于MLC来说则对应2个Page；Page的大小与WordLine上存储单元（Cell）数量对应。

下图是一款存储芯片的内部布局

由图可以看出一片Nand Flash为一个设备（device），其数据存储分层为：

• 1、1个设备（device） = 1024个块（blocks），块是nand flash擦除操作的最小单位。
• 2、1个块（block） = 64个页（Page），页就是Nand Flash写入的最小单位，对于每一个页，有数据块区域和空闲区域。数据区，就是存储一些数据，对于空闲区，一般也叫做OOB(out of band)，这个区域，是基于Nand flash的硬件特性设计的，nand flash在数据读写的时候很容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错的机制，此机制就被叫做ECC，这个空闲区就是为了存放数据的校验值。
• 3、一个页（Page） = 数据块大小（2K） + OOB块大小（64Bytes）

以此可以计算出如何访问一个物理地址：块大小x块号 + 页大小x页号 + 页内地址

从硬件的图来看，上面这款芯片，其容量是132MB，那么就需要28条地址线，而nand flash只有8个I/O引脚可以用作地址线，所以nand flash就引入了地址周期的概念。对于这款nand flash，需要4个周期：2个列地址（column）周期和2个行地址（ROW）周期。从下面的功能框图来看，对于列地址A0 – A11，就是页内地址，地址范围是0 – 4096。与页内地址（2K + 64）吻合，其实对与页内地址，其实只需要A0-A10，而对于多出来的A11，是用来表示页内的OOB区域。那么对于A12 - A27就是用来表示属于哪一个块和块里面的哪一个页号。

###### Nand flash的操作

上面这款芯片支持的命令格式

下图是发送一个命令/地址/数据的完整过程

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