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你知道什么是閃存（Flash Memory）嗎？閃存（Flash Memory）是一種存儲數(shù)據(jù)的半導體。它被用于智能手機和我們周圍的許多其他電子設(shè)備。

KIOXIA公司于1987年發(fā)明了世界上第一個NAND閃存，并且仍然是開發(fā)和制造的領(lǐng)先公司之一。在所有類型的閃存中，NAND閃存是今天世界上使用最廣泛的內(nèi)存。

讓我們來看看什么是閃存（Flash Memory）。智能手機能夠在閃存中存儲各種數(shù)據(jù)，如文本、圖像和音樂，因為所有數(shù)據(jù)都是使用0和1以數(shù)字數(shù)據(jù)表示的。例如，想象一下，你的智能手機上顯示了一張照片（圖1）。如果我們放大并仔細觀察此圖像，它由一個點（像素）集合組成。每個單獨的點由光的三種原色組成：紅色、綠色和藍色。在數(shù)字數(shù)據(jù)中，每個光的亮度都以256級調(diào)整，有八個0和1（2到8次方）。總共，24個0和1的組合可以表達大約1677萬種顏色（256級紅色×256級綠色×256級藍色）。例如，圖1中照片中的粉紅色是亮紅光（11111111）、深綠光（10000000）和亮藍光（11000000）的組合，因此它可以存儲為“11111111100000011000000”。通過這種方式，存儲在智能手機中的文本、圖像和音樂等所有數(shù)據(jù)都存儲為0和1的組合。

一、閃存（Flash Memory）的發(fā)展歷史

閃存（Flash Memory）是由日本的 舛岡富士雄 （Fujio Muoka）發(fā)明的。他分別于1966年和1971年從日本東北大學（Tohoku University）獲得學士和博士學位，博士畢業(yè)之后他加入了東芝（Toshiba）公司。在東芝工作期間，他分別于1980年和1988年發(fā)明了NOR Flash 和 NAND Flash。

二、閃存（Flash Memory）的介紹

閃存，又可稱作：閃速存儲器，英文全稱：Flash Memory，又簡稱Flash，是一種非易失性存儲器,用存儲單元閾值的高低表示數(shù)據(jù)。浮柵(Floating Gate )場效應管(見圖5-80)是Flash存儲單元采用的主要技術(shù)。浮柵上的電荷決定了場效應管的閾值:編程通過量子隧道效應將電子注入浮柵閾值增大，代表邏輯“0”;擦除則相反，將電子從浮柵中提出，閾值減小,代表邏輯“1”。

三、閃存（Flash Memory）的主要特性

與傳統(tǒng)的硬盤存儲器相比，閃存（Flash Memory）具有質(zhì)量輕、能耗低、體積小、抗震能力強等的優(yōu)點，但也有不少局限性，主要如下:

1、需要先擦除再寫入

閃存（Flash Memory）寫入數(shù)據(jù)時有一定的限制，它只能將當前為1的比特改寫為 0，而無法將已經(jīng)為0的比特改寫為 1，只有在擦除的操作中，才能把整塊的比特改寫為 1。

2、塊擦除次數(shù)有限

閃存（Flash Memory）的每個數(shù)據(jù)塊都有擦除次數(shù)的限制(十萬到百萬次不等)，擦寫超過一定次數(shù)后，該數(shù)據(jù)塊將無法可靠存儲數(shù)據(jù)，成為壞塊。

為了最大化的延長閃存（Flash Memory）的壽命，在軟件上需要做擦寫均衡(Wear Leveling)，通過分散寫入、動態(tài)映射等手段均衡使用各個數(shù)據(jù)塊。同時，軟件還需要進行壞塊管理(Bad Block Management，BBM)，標識壞塊，不讓壞塊參與數(shù)據(jù)存儲。(注:除了擦寫導致的壞塊外，閃存（Flash Memory）在生產(chǎn)過程也會產(chǎn)生壞塊，即固有壞塊。)

3、讀寫干擾

由于硬件實現(xiàn)上的物理特性，閃存（Flash Memory）在進行讀寫操作時，有可能會導致鄰近的其他比特發(fā)生位翻轉(zhuǎn)，導致數(shù)據(jù)異常。這種異?？梢酝ㄟ^重新擦除來恢復。閃存（Flash Memory）應用中通常會使用 ECC日 等算法進行錯誤檢測和數(shù)據(jù)修正。

4、電荷泄漏

存儲在閃存（Flash Memory）存儲單元的電荷，如果長期沒有使用，會發(fā)生電荷泄漏，導致數(shù)據(jù)錯誤。不過這個時間比較長，一般十年左右。此種異常是非永久性的，重新擦除可以恢復。

四、閃存（Flash Memory）的基本儲存單元構(gòu)造

閃存（Flash Memory）的基本儲存單元（Memory Cell）如下圖所示?？雌饋碛悬c像N溝道（N-Channel）MOS管，但比MOS管多一個懸浮閘（Floating Gate）。懸浮閘內(nèi)可以儲存電荷。在懸浮閘的兩端，是層間絕緣膜和二氧化硅隧道氧化膜。一旦電荷進入懸浮閘內(nèi)，在沒有外部施加電壓的情況下，可以被長期保存。常溫環(huán)境下，這些電荷可以被保存10年以上。但如果環(huán)境溫度過高，懸浮閘內(nèi)的電子可能會因為獲得熱能而逃逸。電荷逃逸意味著數(shù)據(jù)丟失。懸浮閘的上方是控制閘（Control Gate），相當于MOS管的G極。懸浮閘的下方，左邊是源極（Source），右邊是漏極（Drian）。最下面是P阱（P-Well）。

五、閃存（Flash Memory）的工作原理

閃存（Flash Memory）的基本單元就是一個帶浮柵（Floating Gate）的MOS管（MOSFET）， 浮柵中可以存儲電荷，從而改變該單元的控制柵極（Control Gate）開關(guān)閾值電平Vth，當浮柵中存有正電荷時（Erased）表示為“1”， 當浮柵中存有負電荷/電子時（Programmed）表示為“0”。

NAND Flash通常將多個基本單元串聯(lián)起來形成一條String。如下圖，共有32個基本單元，2個全局選通MOSFET（SGD，SGS）用來連接或者隔離 Bit Line（BL）和 Source Line（SL）。一條String上可能有 8 cells --> 16 cells --> 32 cells（0.12um工藝） --> 64 cells( 43nm工藝)。

多條String 組合起來就可以形成一個 Block，其中一條word line 對應兩個Page，奇數(shù)號BL對應一個Page，偶數(shù)號BL對應另外一個Page。

多個Block就可以組成一個完整的NAND Flash，如下圖：該NAND Flash包含8192個Block，每個Block包含有64個Page，每個Page包含有（4K +128 ）個Bytes。

六、閃存（Flash Memory）的分類

目前市面上的閃存（Flash Memory）按照存儲單元連接方式的不同，可分為或非閃存(NOR Flash)和與非閃存(NAND Flash)兩種，它們的存儲單元陣列如下圖所示。

NOR Flash 單元并聯(lián)連接，比NAND Flash單元面積大容量小。NOR Flash的操作類似于SRAM和DRAM,可以實現(xiàn)快速隨機讀取，所以多用于代碼存儲。NAND Flash單元串聯(lián)連接，成為一個存儲單元串，減少了接觸孔的數(shù)量。NAND Flash平均單個存儲單元的面積接近4F2(F為工藝特征尺寸)，比NOR Flash 集成度更高，多個存儲單元串構(gòu)成存儲單元塊。NAND Flash 的擦除操作以塊為單位進行,其讀操作和編程操作以頁為單位進行，非常適合大容量的數(shù)據(jù)存儲應用。NANDFlash普遍用在智能手機、數(shù)碼相機、MP3等電子產(chǎn)品;還可用來實現(xiàn)固態(tài)硬盤(Solid State Drive，SSD),作為硬盤的替代品，具有抗振、速度快、無噪聲、耗電低的優(yōu)點。

按照單個存儲單元存儲數(shù)據(jù)位的多少，F(xiàn)lash分為SLC、MLC、TLC等。SIC 、MLC閃存單元閾值電壓分布示意圖如下圖所示。SLC閃存的1個Flash單元存儲1位信息。為了實現(xiàn)更高的存儲密度，多電平(Muti-Level)閃存單元將閾值電壓編程為多個電平,1個場效應管可以存放1位以上的信息。目前已經(jīng)實現(xiàn)了1個閃存單元可以存放2位數(shù)據(jù)的MLC閃存和可以存放3位數(shù)據(jù)的TLC閃存。

閃存存儲單元所能存放的位數(shù)取決于閾值電壓能被編程和被檢測的精度。存儲單元的閾值電壓通過調(diào)整被選字線上的電壓進行檢測。不同的字線電壓會導致位線流過存儲單元的放電電流ICELL不同，通過識別電流大小即可判斷閾值的大小。NAND閃存單元閾值電壓檢測電路如下圖所示。首先，節(jié)點UOUT充電至UDD,并通過場效應管MN、對位線進行充電。由于MN的柵極電壓為U1，所以位線充電至電壓U1-UTHN,UTHN為閾值電壓。然后，MN關(guān)閉，節(jié)點UOUT停止預充。存儲單元串打開后位線開始放電，此時選中單元的字線電壓為UREAD。最后，MN柵極電壓為U2。此時如果UBLUREAD。U1、U2和UREAD電壓的精度直接決定了閾值檢測的精度,需要精心設(shè)計相關(guān)電壓產(chǎn)生電路。

保持時間(Retention Time)是衡量閃存可靠性的重要指標之一，表征了 Flash單元能保持數(shù)據(jù)的持續(xù)時間。實際應用中由于絕緣層中存在缺陷，浮柵上的電荷會逐漸泄漏。目前制造商通常規(guī)定的保持時間為10 年。耐久性(Endurance)是閃存設(shè)計的重要挑戰(zhàn)，由于柵氧層在多次高電壓操作后會逐漸損壞，并且隨著工藝特征尺寸的縮小，相鄰浮柵單元之間的耦合干擾愈發(fā)嚴重，一個單元能被擦除和重新編程的次數(shù)是有限的。目前，SLC耐久性的典型值為10萬個擦除/編程周期，MLC的耐久性可低至1萬個擦除/編程周期甚至更低。針對這些挑戰(zhàn)，一方面通過工藝進步提升存儲單元本身的耐久性，比如電荷俘獲型(Charge Trap) Flash存儲單元克服了浮柵單元之間的耦合干擾，使得Flash技術(shù)在平面可以繼續(xù)微縮至十幾納米;另一方面通過芯片設(shè)計的改進降低陣列操作對存儲單元的磨損,包括調(diào)整高電壓操作的電壓值以及時間長度,引入驗證和禁止編程機制等。

七、閃存（Flash Memory）的基礎(chǔ)知識詳解

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八、閃存（Flash Memory）的讀寫和擦除

這里我們以NAND Flash 為例子，簡單說明一下閃存的讀寫和擦除操作。

1、讀操作

如果要讀取某個單元，一般將CG端接Vgate（通常為0V），Vd為1V，Vs接地。如果浮柵中有負電荷（Programmed），那么該MOSFET不通，Icell 電流=0，Bit Line寄生電容上的電壓（一般會預充電（Precharge）到一個合適的電壓）就不會產(chǎn)生太大的變化，Sensing 電路就會輸出結(jié)果“0”， 如果浮柵中有正電荷（Erased），那么該MOSFET也會導通，Icell電流大約為幾百nA，Bit Line寄生電容上的電壓就會很快下降，Sensing 電路就能感知這種變化，輸出結(jié)果“1”。

通常NAND Flash 讀操作是以Page為單位的，對于選中的Page，在其對應的WL施加電壓Vread（通常是0V），BL接1V，SL接地，其他所有沒有選中的Page，在其對應的WL施加電壓VpassR(通常為4.5V~6V)， 這樣便可以使得所有沒有被選中的單元，都相當于一個直通（pass through）的MOSFET，從而Icell電流的大小，只取決于被選中的單元中是否存有電荷/電子。

2、編程和擦除操作

寫數(shù)據(jù)/編程時，通常是按照Page編程，把該Page對應的Word Line/控制柵極（Control Gate）的電壓設(shè)置為20V，襯底接地，這樣就會形成一個向下的強電場，從而使得電子通過 F-N Tunneling量子效應，進入浮柵，這樣就實現(xiàn)了將數(shù)據(jù)“0”寫入該單元。

擦除一般是按整個Block進行擦除，通常是將該Block所有的Word line接地，然后將這個Block的襯底接20V，這樣就可以將存儲在浮柵中的電子移除，從而實現(xiàn)將整個Block中的數(shù)據(jù)擦除。

九、閃存（Flash Memory）的應用領(lǐng)域

當前，在生成式AI技術(shù)浪潮的助推下，數(shù)據(jù)存儲和處理的需求呈爆炸性增長。閃存（Flash Memory）技術(shù)作為一種高性能、低功耗、高可靠的存儲解決方案，已在眾多行業(yè)得到廣泛應用，并成為推動業(yè)務發(fā)展及數(shù)據(jù)創(chuàng)新的重要引擎。閃存（Flash Memory）具有許多顯著優(yōu)勢。首先，它的讀寫速度快，能夠大大縮短數(shù)據(jù)訪問的時間，提高系統(tǒng)的響應速度。其次，閃存（Flash Memory）具有低功耗的特點，這對于移動設(shè)備和對能源效率有嚴格要求的數(shù)據(jù)中心來說至關(guān)重要。

1、數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心需要處理海量的數(shù)據(jù)，閃存（Flash Memory）技術(shù)以其卓越的讀寫性能和低延遲特性，成為大數(shù)據(jù)分析和高并發(fā)應用的首選存儲方案。SSD（固態(tài)硬盤）已逐步替代傳統(tǒng)HDD（機械硬盤），成為數(shù)據(jù)中心的主流存儲介質(zhì)。通過SSD，數(shù)據(jù)中心能夠更高效地處理海量數(shù)據(jù)，滿足云計算和大數(shù)據(jù)的存儲需求。

a.加速數(shù)據(jù)處理和響應

數(shù)據(jù)中心對系統(tǒng)響應時間要求極為苛刻。閃存（Flash Memory）技術(shù)憑借其極快的讀寫速度，能夠顯著縮短數(shù)據(jù)的訪問時間，從而大幅提升數(shù)據(jù)處理的效率。無論是在線交易處理、實時數(shù)據(jù)分析還是云計算服務，閃存（Flash Memory）技術(shù)都能確保數(shù)據(jù)中心在最短的時間內(nèi)為用戶提供準確的信息，增強業(yè)務的連續(xù)性和競爭力。

b.提升虛擬機性能

隨著虛擬化技術(shù)在數(shù)據(jù)中心的廣泛應用，虛擬機的性能優(yōu)化成為關(guān)鍵。閃存（Flash Memory）可以為虛擬機提供高速的存儲支持，快速加載操作系統(tǒng)和應用程序，實現(xiàn)虛擬機的快速啟動和遷移，極大地提高了資源的利用效率和靈活性，滿足不同業(yè)務需求的快速部署和調(diào)整。

c.改善存儲分層架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心通常采用存儲分層策略，以平衡性能和成本。閃存（Flash Memory）技術(shù)因其出色的性能，成為存儲分層中的關(guān)鍵一層。對于經(jīng)常訪問的熱數(shù)據(jù)和對性能要求高的關(guān)鍵業(yè)務數(shù)據(jù)，將其存儲在閃存（Flash Memory）層，可以顯著提高數(shù)據(jù)的讀取和寫入速度，而相對不常訪問的冷數(shù)據(jù)則可以存儲在成本較低的傳統(tǒng)存儲介質(zhì)上。

d.支持大數(shù)據(jù)分析和人工智能工作負載

大數(shù)據(jù)分析和人工智能應用需要處理海量的數(shù)據(jù)，并進行復雜的計算。閃存（Flash Memory）技術(shù)能夠快速提供數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)讀取的等待時間，從而加速模型訓練和數(shù)據(jù)分析的過程。這對于金融風險預測、市場趨勢分析等需要快速獲得結(jié)果的業(yè)務場景至關(guān)重要。

e.降低能耗和空間占用

相比傳統(tǒng)的機械硬盤，閃存（Flash Memory）技術(shù)具有更低的能耗和更小的物理尺寸。在大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心中，采用閃存（Flash Memory）可以顯著降低電力消耗和冷卻成本，同時減少存儲設(shè)備所占用的物理空間，有助于數(shù)據(jù)中心實現(xiàn)綠色、高效和集約化的運營。

f.保障數(shù)據(jù)一致性和可靠性

在關(guān)鍵業(yè)務應用中，數(shù)據(jù)的一致性和可靠性是首要考量。閃存（Flash Memory）技術(shù)能夠提供穩(wěn)定的性能和可靠的數(shù)據(jù)存儲，減少數(shù)據(jù)丟失和錯誤的風險。結(jié)合先進的糾錯和數(shù)據(jù)保護技術(shù)，閃存（Flash Memory）可以確保數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)完整性和業(yè)務的連續(xù)性。

總之，閃存（Flash Memory）技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心不可或缺的組成部分，為數(shù)據(jù)中心的高效運行、業(yè)務創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展提供了有力的支撐。隨著技術(shù)的不斷進步和成本的進一步降低，閃存（Flash Memory）技術(shù)在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的應用前景將更加廣闊。

2、汽車電子

隨著汽車智能化的發(fā)展，汽車中的電子系統(tǒng)越來越復雜，需要大量的存儲空間來存儲地圖、駕駛數(shù)據(jù)和娛樂內(nèi)容。閃存（Flash Memory）技術(shù)的高可靠性和耐用性使其能夠適應汽車復雜的工作環(huán)境。

a.車載信息娛樂系統(tǒng)

閃存（Flash Memory）技術(shù)可以用于存儲車載信息娛樂系統(tǒng)的操作系統(tǒng)、應用程序和媒體文件等。它能夠提供快速的數(shù)據(jù)讀取和寫入速度，確保系統(tǒng)的響應性和流暢性。

b.高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）

ADAS 系統(tǒng)需要處理大量的傳感器數(shù)據(jù)，閃存（Flash Memory）技術(shù)可以用于存儲這些數(shù)據(jù)以及相關(guān)的算法和模型?？焖俚拈W存（Flash Memory）能夠滿足 ADAS 對實時數(shù)據(jù)處理的要求。

c.自動駕駛

自動駕駛汽車需要處理和存儲大量的地圖數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)以及深度學習模型。閃存（Flash Memory）技術(shù)的高速讀寫和大容量特性使其成為自動駕駛系統(tǒng)中不可或缺的存儲解決方案。

十、寫在最后面的話

閃存（Flash Memory），作為現(xiàn)代電子設(shè)備中至關(guān)重要的存儲技術(shù)，正逐漸改變著我們的生活和工作方式。閃存（Flash Memory）是一種非易失性存儲器，這意味著即使在電源關(guān)閉后，存儲在其中的數(shù)據(jù)也不會丟失。

從工作原理來看，閃存（Flash Memory）通過在晶體管中存儲電荷來表示數(shù)據(jù)。它采用了一種被稱為“浮柵晶體管”的結(jié)構(gòu)，利用電場來控制電荷的注入和釋放，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入和讀取。與傳統(tǒng)的機械硬盤相比，閃存（Flash Memory）具有更快的讀寫速度、更低的能耗、更小的體積和更強的抗震性。

閃存（Flash Memory）技術(shù)在多個領(lǐng)域都有著廣泛的應用。在消費電子領(lǐng)域，如智能手機、平板電腦和筆記本電腦，閃存（Flash Memory）已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的機械硬盤，成為主流的存儲設(shè)備。其快速的啟動速度和響應能力，為用戶帶來了更加流暢的使用體驗。在企業(yè)級應用中，閃存（Flash Memory）也在數(shù)據(jù)中心、服務器等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，能夠大大提高數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)男省?/p>

隨著技術(shù)的不斷進步和需求的持續(xù)增長，閃存（Flash Memory）的發(fā)展前景極為廣闊。

首先，在容量方面，閃存（Flash Memory）的存儲密度不斷提高。新的制造工藝和材料的研發(fā)使得單個閃存（Flash Memory）芯片能夠容納更多的數(shù)據(jù)，滿足用戶對于大容量存儲的需求。

其次，性能的提升也是閃存（Flash Memory）發(fā)展的重要方向。更快的讀寫速度、更低的延遲將進一步拓展其應用領(lǐng)域，例如在高性能計算、人工智能等對數(shù)據(jù)處理速度要求極高的領(lǐng)域。

再者，成本的降低將使閃存（Flash Memory）更加普及。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴大和技術(shù)的成熟，閃存（Flash Memory）的價格有望逐漸下降，使其在更多的設(shè)備和場景中得到應用。

以下是一個簡單的對比表格，展示閃存（Flash Memory）與傳統(tǒng)機械硬盤的一些關(guān)鍵特性：

總之，閃存（Flash Memory）技術(shù)憑借其眾多的優(yōu)勢，在未來的電子信息領(lǐng)域中將繼續(xù)發(fā)揮重要作用，并不斷推動行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。

參考資料

1. NOR NAND Flash Guide: Selecting a Flash Storage Solution [PDF]

2. Wiki: Common Flash Memory Interface [Web]

3. Quick Guide to Common Flash Interface [PDF]

4. MICRON NOR Flash Technology [Web]

5. MICRON NAND Flash Technology [Web]

6.Wiki: 閃存[Web]

7. Wiki: Flash File System [Web]

8. Wear Leveling in Micron? NAND Flash Memory [PDF]

9. Understanding Flash: The Flash Translation Layer [Web]

10.談NAND Flash的底層結(jié)構(gòu)和解析 [Web]

11.閃存基礎(chǔ) [Web]

12. Open NAND Flash Interface (ONFl) [Web]

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審核編輯 黃宇