本文詳細介紹了閃存（FlashMemory）作為非易失性存儲的關(guān)鍵技術(shù)，區(qū)分了NOR和NAND閃存的不同特點，探討了它們在企業(yè)應(yīng)用、消費設(shè)備中的角色，并討論了閃存的優(yōu)缺點，包括磨損機制和可靠性提升策略。

閃存 Flash Memory
閃存是一種非易失性存儲器 ( nonvolatile memory)，以塊為單位擦除 數(shù)據(jù)并以字節(jié)級別重寫數(shù)據(jù)。 閃存廣泛用于消費類設(shè)備，企業(yè)系統(tǒng)和工 業(yè)應(yīng)用中的存儲和數(shù)據(jù)傳輸。 不管配備閃存的設(shè)備是打開還是關(guān)閉電源， 閃存都會將數(shù)據(jù)保留很長一段時間。

閃存用于企業(yè)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，存儲和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及廣泛的消費類設(shè)備， 包括USB閃存驅(qū)動器（也稱為記憶棒），SD卡，移動電話，數(shù)碼相機， 平板電腦 筆記本計算機和嵌入式控制器中的PC卡。 例如，基于NAND 閃存的固態(tài)驅(qū)動器通常用于加速 I/O 密集型應(yīng)用的性能。 NOR閃存通 常用于在PC中保存控制代碼，例如基本輸入/輸出系統(tǒng)（BIOS）。
閃存的由來
閃存從可擦可編程只讀存儲器（EPROM）和電可擦可編程只讀存 儲器（EEPROM）演變而來。 從技術(shù)上講，閃存是EEPROM的一 種變體，但業(yè)界保留術(shù)語EEPROM表示字節(jié)級可擦除存儲器，并將術(shù)語閃存用于較大的塊級可擦除存儲器。

閃存的工作原理

閃存體系結(jié)構(gòu)包括堆疊有大量閃存單元的存儲陣列。 基本的閃存 單元由具有控制柵極和浮置柵極 (Floating Gate) 的存儲晶體管組 成，該浮柵通過薄介電材料或氧化層與晶體管的其余部分絕緣。 浮柵存儲電荷并控制電流的流動。

電子被添加到浮柵或從浮柵處移除，以改變存儲晶體管的閾值電壓。 而改變電壓會影響將單元編譯為 0 還是 1。

一種稱為Fowler-Nordheim隧穿的過程將電子從浮柵中去除。 Fowler-Nordheim隧穿和稱為溝道熱電子注入的現(xiàn)象都會將電子 捕獲在浮柵中。

使用Fowler-Nordheim隧道技術(shù)，數(shù)據(jù)會通過控制門上的強負電 荷擦除。 這迫使電子進入存在強正電荷的通道。

在使用Fowler-Nordheim隧道將電子捕獲在浮柵中時，情況會相 反。 電子在高電場的情況下設(shè)法通過薄氧化層遷移到浮柵，在單 元的源極和漏極上帶有強負電荷，而在控制柵極上帶有強正電荷。

溝道熱電子注入（也稱為熱載流子注入）使電子能夠突破 柵氧化層并改變浮柵的閾值電壓。 當電子從溝道中的高 電流以及控制柵極上的吸引電荷中獲取足夠量的能量時， 就會發(fā)生這種現(xiàn)象。

閃存工作原理

不管包含閃存單元的器件是否由于氧化物層產(chǎn)生的電隔離 而接收能量，電子都會被捕獲在浮柵中。 該特性使閃存 可以提供持久存儲。

浮柵ETox閃存的工藝流程:

形成隔離區(qū)
形成 N 阱和 P 阱
形成姍堆棧
偏移間隔物的形成
間隔物的形成
形成漏源極
形成硅化鈷， 接觸區(qū)，鎢塞
生長第一層金屬
......
生長第N層金屬
浮柵ETox閃存的工藝流程

NOR與NAND閃存
閃存有兩種類型：NOR 和 NAND。

NOR 和 NAND 閃存在架構(gòu)和設(shè)計特性上有所不同。 NOR 閃存不使用共享組件，可以并行連接各個存 儲單元，從而可以隨機訪問數(shù)據(jù)。 NAND 閃存單元更緊湊，位線更少，將浮柵晶體管串聯(lián)在一起以 提高存儲密度。

閃存單元比較

NAND更適合串行而不是隨機數(shù)據(jù)訪問。 NAND閃 存工藝的幾何形狀是針對平面NAND達到其實際擴 展限制而開發(fā)的。

NOR與NAND閃存

NOR閃存在數(shù)據(jù)讀取方面速度很快，但在擦除和寫入方面通常比NAND慢。 NOR閃存以字節(jié)為單位編程數(shù)據(jù)。NAND閃存以頁為單位編程數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)大于字節(jié)，但小于塊。 例如，一個頁面可能是4 KB，而一個塊的大小可能是128 KB至256 KB或兆字節(jié)。 對于寫密集型應(yīng)用程序，NAND閃存比NOR閃存消耗更少的功率。

NOR閃存的生產(chǎn)成本比NAND閃存高，并且通常主要用于消費類和嵌入式設(shè)備中以用于引導(dǎo)目的，以及只讀應(yīng)用程序中用于代碼存儲。 由于NAND閃存每位存儲數(shù)據(jù)的成本更低，密度更高，編程和擦除（P / E）速度更快，因此它更適用于消費類設(shè)備以及企業(yè)服務(wù)器和存儲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)存儲。

除使用其他存儲器外，諸如照相手機之類的設(shè)備可能同時使用NOR和NAND閃存，以促進代碼執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲。

NOR與NAND閃存比較

NOR閃存類型
NOR閃存的兩種類型主要是并行和串行，也稱為串行外圍設(shè)備接口。NOR閃存最初僅可用于并行接口。并行NOR提高性能，安全性和附加功能；它的主要用途包括工業(yè)、汽車、網(wǎng)絡(luò)和電信系統(tǒng)與設(shè)備。

NOR單元并行連接以進行隨機訪問。該配置適用于與微處理器指令相關(guān)的隨機讀取，以及執(zhí)行便攜式電子設(shè)備中使用的代碼，幾乎專門用于消費類電子設(shè)備。串行NOR閃存的引腳數(shù)更少，封裝更小，因此其成本低于并行NOR。

串行NOR的用例包括個人和超薄計算機，服務(wù)器，HDD，打印機，數(shù)碼相機，調(diào)制解調(diào)器和路由器。

NAND閃存類型
NAND閃存半導(dǎo)體制造商已經(jīng)開發(fā)出適合各種數(shù)據(jù)存儲用例的不同類型的存儲器。主要有：

單層單元 (Single-level cell, SLC)
多層單元 (Multilevel cell, MLC)
企業(yè)級多層單元 (Enterprise MLC, eMLC)
三層單元 (Triple-level cell TLC)
垂直/3D NAND (Vertical/3D NAND)
四級單 元(Quad-level cell QLC)
閃存類型比較

閃存的優(yōu)缺點
閃存的一些優(yōu)點:
閃存是半導(dǎo)體存儲器中最便宜的一種。

與動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)和靜態(tài)RAM (SRAM)不同，閃存是非易失性的，功耗較低，并且可以大塊擦除,NOR閃存可提高隨機讀取速度，而NAND閃存可通過串行讀寫實現(xiàn)快速傳輸。

帶有NAND閃存芯片的固態(tài)存儲設(shè)備(Solid State Devices,SSD)提供的性能大大高于傳統(tǒng)的磁存儲介質(zhì)(如HDD和磁帶)。

閃存驅(qū)動器相比HDD消耗的功率更少，產(chǎn)生的熱量也更少

配備閃存驅(qū)動器的企業(yè)存儲系統(tǒng)具有低延遲特點，以毫秒或微秒為單位

閃存的主要缺點
磨損機制和單元間干擾，芯片尺寸越小越嚴重。隨著編程/擦除周期的數(shù)量過多，位可能會發(fā)生故障，最終會擊穿捕獲電子的氧化物層。 退化可能會使制造商設(shè)定的用于確定電荷為零或一的闖值失真，電子可能逃逸并陷在氧化物絕緣層中，從而導(dǎo)致錯誤。

證據(jù)表明，NAND閃存驅(qū)動器并沒有像人們擔心的那樣快的老化。閃存驅(qū)動器制造商通過糾錯碼算法損耗均衡和其他技術(shù)提高了耐用性和可靠性。

此外，SSD不會在沒有征兆的情況下磨損。 它們通常以類似傳感器可能指示輪胎充氣不足的方式警告用戶。

審核編輯 黃宇