文章來(lái)源：老虎說(shuō)芯

原文作者：老虎說(shuō)芯

本文介紹了NAND Flash的原理、結(jié)構(gòu)、工藝和應(yīng)用。

NAND Flash的基本原理和結(jié)構(gòu)

NAND Flash是什么？NAND Flash（閃存）是一種非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。與傳統(tǒng)的DRAM或SRAM不同，NAND Flash在斷電后仍能保存數(shù)據(jù)。它通過(guò)電荷的存儲(chǔ)與釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

圖：NAND Flash的排列結(jié)構(gòu)

基本單元結(jié)構(gòu)：NAND Flash的基本存儲(chǔ)單元是一個(gè)浮柵晶體管（Floating Gate Transistor）。每個(gè)晶體管對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)的信息是通過(guò)控制浮柵上的電荷實(shí)現(xiàn)的。多個(gè)存儲(chǔ)單元通過(guò)串聯(lián)方式形成一個(gè)NAND存儲(chǔ)單元（通常為8到32個(gè)單元串聯(lián)），以提高密度和降低成本。

圖：存儲(chǔ)cell的器件結(jié)構(gòu)

NAND Flash的工作原理

寫(xiě)入過(guò)程（編程）：在編程（寫(xiě)入）過(guò)程中，通過(guò)施加高電壓，電子被注入浮柵，改變浮柵上的電荷，進(jìn)而影響晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)，從而表示不同的存儲(chǔ)信息（通常是‘0’或‘1’）。

圖：數(shù)據(jù)寫(xiě)入和擦除操作

擦除過(guò)程：NAND Flash采用塊擦除的方式。通過(guò)施加反向電壓，浮柵上的電子被移除，恢復(fù)晶體管的原始狀態(tài)。擦除通常是對(duì)整個(gè)塊進(jìn)行操作，而不是單個(gè)字節(jié)。

讀取過(guò)程：讀取過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)浮柵上的電荷狀態(tài)，可以確定存儲(chǔ)單元的導(dǎo)通狀態(tài)，從而讀取出存儲(chǔ)的信息。

圖：數(shù)據(jù)0和數(shù)據(jù)1的表示方式

NAND Flash的工藝與技術(shù)挑戰(zhàn)

工藝節(jié)點(diǎn)縮減：隨著技術(shù)的發(fā)展，NAND Flash的工藝節(jié)點(diǎn)不斷縮減（如從38nm到19nm，再到更小的工藝節(jié)點(diǎn)），這帶來(lái)了更高的存儲(chǔ)密度和更低的成本，但也增加了制造的復(fù)雜性和良率的挑戰(zhàn)。

圖：存儲(chǔ)Cell小型化的趨勢(shì)

可靠性?xún)?yōu)化：隨著存儲(chǔ)單元尺寸的縮小，電荷存儲(chǔ)的穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致耐用性和數(shù)據(jù)保留時(shí)間減少。為了解決這一問(wèn)題，工程師需要不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，增強(qiáng)可靠性。例如，通過(guò)增加擦寫(xiě)周期數(shù)（如38nm工藝下的500K次循環(huán)）來(lái)提高耐用性。

設(shè)計(jì)規(guī)則收縮與布局優(yōu)化：在更小的工藝節(jié)點(diǎn)上，設(shè)計(jì)規(guī)則（Design Rule）需要不斷縮小，同時(shí)布局也需要優(yōu)化，以在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的存儲(chǔ)單元。Mask的減少和規(guī)則的優(yōu)化是提高產(chǎn)量和降低成本的重要手段。

圖：NAND、AND、NOR的CELL陣列對(duì)比

NAND Flash的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

應(yīng)用領(lǐng)域：NAND Flash廣泛應(yīng)用于各種存儲(chǔ)設(shè)備，如固態(tài)硬盤(pán)（SSD）、USB閃存、存儲(chǔ)卡等。在智能手機(jī)、平板電腦和服務(wù)器中也得到了廣泛應(yīng)用。

圖：3D NAND的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

3D NAND技術(shù)：隨著二維平面縮小的困難逐漸增加，3D NAND技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。3D NAND通過(guò)將存儲(chǔ)單元垂直堆疊，大幅提高了存儲(chǔ)密度，成為目前NAND Flash發(fā)展的主要方向。

圖：2D Flash和3D Flash的概念示意對(duì)比

圖：2D Flash和3D Flash的器件結(jié)構(gòu)對(duì)比

未來(lái)挑戰(zhàn)與展望

進(jìn)一步的可靠性與耐久性提升：隨著存儲(chǔ)單元的進(jìn)一步縮小，未來(lái)將面臨更多的可靠性挑戰(zhàn)。新的材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新可能是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。

新型存儲(chǔ)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)：隨著新型存儲(chǔ)技術(shù)（如ReRAM、MRAM等）的發(fā)展，NAND Flash將面臨新的競(jìng)爭(zhēng)，持續(xù)的工藝創(chuàng)新和成本優(yōu)化將是保持競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。