nand flash的底层结构

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1、这里我想以一个纯玩家的角度来谈谈关于NANDFlash的底层结构和解析，可能会有错误的地方，如果有这方面专家强烈欢迎指正。NANDFlash作为一种比较实用的固态硬盘存储介质，有自己的一些物理特性，需要有基本的管理技术才能使用，对设计者来说，挑战主要在下面几点：1.需要先擦除才能写入。2.损耗机制，有耐久度限制。3.读写时候造成的干扰会造成数据出错。4.数据的保存期。5.对初始和运行时候的坏块管理。只有至少满足这些基本的管理技术，才能让NANDFlash成为一款可以使用的固态存储介质。（这里还没有谈到任何关于

2、性能的地方，因为那是这些基本条件满足后的事。）当满足了上面的5点后，才该谈到稳定，性能，耐久度，影响这些的5大因素为：1.SLC和MLC2.平衡磨损算法3.透过坏块管理技术确保数据的完整性。4.使用错误检测和校正技术5.写入放大只有满足了这些条件，才能得到一款理想中的完美的固态硬盘。-----------------------------------------------------------------------Flash全名叫做FlashMemory，属于非易失性存储设备(Non-volatile

3、MemoryDevice)，与此相对应的是易失性存储设备(VolatileMemoryDevice)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的如硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDRSDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。Flash的内部存储是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET)

4、，里面有个悬浮门(FloatingGate)，是真正存储数据的单元。数据在Flash内存单元中是以电荷(electricalcharge)形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的控制门（Controlgate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。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。1.对于NANDFlash的写入（编程)，就是控制ControlGate去充电（对ControlGate加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。2.对

5、于NANDFlash的擦除(Erase)，就是对悬浮门放电，低于阀值Vth，就表示1。NANDFlash的架构:如上图所示，这是一个8Gb50nm的SLC颗粒内部架构。每个page有33,792个单元，每个单元代表1bit(SLC)，所以每个page就是4096Byte+128Byte（SA）。每个Block有64个page组成，所以每个Block容量为262,114Byte+8192Byte（SA）page是NANDFlash上最小的读/写单位（一个page上的单元共享一根字符线Wordline），块是最小

6、的擦除单位（。不同厂牌不同型号颗粒有不同的page和block大小。下图是个8Gb50nm的SLC颗粒。4KB的页尺寸，256KB的块尺寸。图中4096字节用于存储数据，另外128字节用来做管理和ECC用。SLC和MLC区别：SLC主要针对军工，企业级应用，有着高速写入，低出错率，长耐久度特性。MLC主要针对消费级应用，有着2倍容量于SLC，低成本，适合USB闪盘，手机，数码相机等储存卡。如今也被用于消费级固态硬盘上。由上图可以看到，MLC和SLC虽然使用相同的电压值，但是电压之间的阀值被分成了4份，直接影响

7、了性能和稳定性。主要有下面几点：1.相邻的存储电荷的悬浮门间会互相干扰，造成悬浮门里的电荷不稳定出现bit错误，MLC由于阀值相比SLC更接近，造成出错几率更大。2.MLC读写性能降低，写入更是降低50%以上，因为需要确认充入电荷的量，这需要更精确的处理。SLC只有0和1，也就是有和没有，而MLC会有00,01,10,114个状态，在充入电荷后还要去判断是哪个状态，自然就慢了。3.因为上面说的，造成额外的读写压力，所以功耗明显增大。4.因为额外的读写压力，造成闪存的写入耐久度和数据保存期受到影响。eMLC和e

8、SLC的耐久度提升是用牺牲了数据保存期和增加读写时间换来的。（也就是性能会更差点）-------------------------------------------------------------------挑战1：需要先擦除才能写入。当今的NANDFlash可以读/写一个page，但是必须以block大小擦除。擦除操作就是让块中所有的bit变为1，从一个干净的“已擦除”状态的block重新