Flash Memory存储器

Flash Memory存储器

Flash Memory存储器是什么意思？新型半导体存储器是闪速存储器(Flash Memory)，它的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息。就其本质而言，Flash Memory属于EEPROM(电擦除可编程只读存储器)类型。它既有ROM的特点，又有很高的存取速度，而且易于擦除和重写。

由于Flash Memory的独特优点，如在一些较新的主板上采用Flash ROM BIOS，会使得BIOS 升级非常方便。 Flash Memory可用作固态大容量存储器。目前普遍使用的大容量存储器仍为硬盘。硬盘虽有容量大和价格低的优点，但它是机电设备，有机械磨损，可靠性及耐用性相对较差，抗冲击、抗振动能力弱，功耗大。因此，一直希望找到取代硬盘的手段。由于Flash Memory集成度不断提高，价格降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。 目前研制的Flash Memory都符合PCMCIA标准，可以十分方便地用于各种便携式计算机中以取代磁盘。当前有两种类型的PCMCIA卡，一种称为Flash存储器卡，此卡中只有Flash Memory芯片组成的存储体，在使用时还需要专门的软件进行管理。另一种称为Flash驱动卡，此卡中除Flash芯片外还有由微处理器和其它逻辑电路组成的控制电路。它们与IDE标准兼容，可在DOS下象硬盘一样直接操作。因此也常把它们称为Flash固态盘。 Flash Memory不足之处仍然是容量还不够大，价格还不够便宜。因此主要用于要求可靠性高，重量轻，但容量不大的便携式系统中。在586微机中已把BIOS系统驻留在Flash存储器中。

MRAM

Magnetoresistive Random Access Memory ，简称：MRAM，中文：磁性随机存储器

磁性随机存储器是正在开发阶段的，基于半导体(1T)和磁通道(magnetic tunnel junction-MTJ)技术的固态存储介质，属于非挥发性芯片。主要开发厂商有IBM、Infineon(英飞凌)、Cypress和Motorola(摩托罗拉)。其擦写次数高于现有的Flash存储器，可达1015，读写时间可达70nS。

一、flash存储器原理

经典物理学认为，物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。

量子力学则认为，即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作“量子隧道（quantum tunneling）”。

可见，宏观上的确定性在微观上往往就具有不确定性。虽然在通常的情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，因为隧穿几率极小，但在某些特丁的条件下宏观的隧道效应也会出现。

二、flash存储器原理之发现者

1957年，受雇于索尼公司的江崎玲於奈（Leo Esaki，1940～）在改良高频晶体管2T7的过程中发现，当增加PN结两端的电压时电流反而减少，江崎玲於奈将这种反常的负电阻现象解释为隧道效应。此后，江崎利用这一效应制成了隧道二极管（也称江崎二极管）。

1960年，美裔挪威籍科学家加埃沃（Ivan Giaever，1929～）通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应。在此之前的1956年出现的“库珀对”及BCS理论被公认为是对超导现象的完美解释，单电子隧道效应无疑是对超导理论的一个重要补充。

1962年，年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，1940～）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层构成SIS（Superconductor-Insulator-Superconductor）时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验观测所证实——电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。

宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。

三、flash存储器原理之应用

闪存

闪存的存储单元为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，直到你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。

flash存储器工作原理

与场效应管一样，闪存也是一种电压控制型器件。NAND型闪存的擦和写均是基于隧道效应，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）。而NOR型闪存擦除数据仍是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。

四、flash存储器原理之场效应管工作原理

场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。

源文档 <http://www.hrqyw.com/news/detail.php?id=8770>

Flash Memory存储卡

消费类电子产品必须体积小且携带方便，尽管硬盘是常见的存储设备，但显然它不适合在小型移动设备和消费电子中应用。在消费电子研发之初，开发商就开始设计一种新型永久性、体积小且功耗小的存储媒介来满足消费电子产品的特定需求。 Flash Memory起源于日本，随之巨大的市场前景立即吸引美国的一些传统芯片生产商纷纷投入到该领域，如：美国的Intel公司和AMD 公司等。美国的芯片开发商由于过去在CPU设计和生产领域有先进的技术积累，它们研发的Flash Memory产品很快就占据了相当大的市场份额。

不同的应用领域对Flash Memory有不同的需求。例如：数码相机追求大容量的存储器，以便保存数量巨大的相片；而手机等通信设备则更渴望高速的数据读写速度，从而在无线上网和手机游戏中能吸引更多的用户。为了满足不同应用领域的特定需求，Flash Memory产品和标准目前正在呈多样性发展，产生了多个与之相关术语，如：SM（Smart Media）卡、CF (Compact Flash)卡，MMC（Multi Media Card）卡、SD（Secure Digital）卡和记忆棒（Memory Stick）等[1]。

为了描述和对比各类存储卡之间的差异，表1从存储卡的物理尺寸、工作电压等十多个角度对它们进行了分析和对比。为了描述方便，表1中MP3表示MP3 Player, DC表示Digital Camera, DV表示Digital Video, MP表示Mobile Phone, MM表示Mobile Memory Devices。

表1 Flash Memory Card的比较

SM		CF		MMC		SD		Memory Stick
发布时间	1995年		1994年		1997年		1999年		1997年
发布厂商	东芝		SanDisk		SanDisk 西门子		东芝、松下SanDisk		索尼
物理尺寸(mm)	45*37*0.76		43*36*3.3		32*24*1.4		32*24*2.1		50*21.5*0.28
集成控制器		否		是		是		是
兼容性	差		好		好		好		差
工作电压	3.3V, 5V		3.3V, 5V		2.7V-3.6V		2.7V－3.6V		2.7V-3.6V
公开标准	是		是		是		是		否
适用领域	MP3, DC		MM		MP3,DC,DV,MP		MP3,DC,DV,E-Book		仅索尼公司的产品
支持厂商	东芝、三星、索尼、夏普等		3COM, IBM、HP、佳能、松下等		SanDisk、西门子等		三星等		索尼
其它		操作系统都支持		有MMC和SPI两种模式		数据安全性高 支持物理写保护		索尼公司使用，无其它公司支持

由表1不难发现，不同存储卡在内部结构、实现技术、物理外观和工作电压等方面都有较大差异，且不同标准之间的兼容性很差，甚至来自不同生产商之间的同类存储卡之间的兼容性都比较差，最突出的如SM。从表1还不难发现，来自日本的电子公司在该领域具有雄厚的技术实力和标准垄断能力，具有和美国公司抗衡的能力。这在美国的产品一支独秀的信息技术领域是罕见的，当然这与日本在电子和制造领域一直具有有较高水平、以及他们最早进入Flash Memory领域是分不开的。

NAND与NOR

Flash Memory内部构架和实现技术可以分为AND、NAND、NOR和DiNOR等几种，但目前以NAND和NOR为主流。NOR技术是由Intel公司 1988年首先推出，NAND技术是由东芝公司1989年发明。NAND技术在设计之初是为了数据存储应用，NOR则是为了满足程序代码的高速访问，并且支持程序在芯片内部运行。目前关于两种技术的发展前景讨论很激烈，各种观点很多。客观来看，二者各有优势和不足。NOR工作电压低、随机读取快、功耗低、稳定性高；而NAND则写回速度快、芯片面积小，特别是容量大有很大优势。

页是NAND中的基本存贮单元，一页一般为512个字节，多个页面组成块。不同存储器内的块内页面数不尽相同，通常以16页或者32页比较常见。块容量计算公式比较简单，就是页面容量与块内页面数的乘积。 根据 Flash Memory容量大小，不同存储器中的块、页大小可能不同，块内页面数也不同。例如：8MB存储器，页大小常为512B、块大小为8KB，块内页面数为 16。而2MB的存储器的页大小为256 B、块大小为4KB，块内页面数也是16。NAND存储器由多个块串行排列组成。实际上，NAND型的Flash Memory可认为是顺序读取的设备，它仅用8比特的I/O端口就可以存取按页为单位的数据。NAND在读和擦写文件、特别是连续的大文件时，速度相当快，但随机存取速度则比较慢，因为它不能按字节写。NAND型存储器的价格如今已经不算昂贵，512MB芯片单价在最近是4.39美元，且仍呈下降趋势。 NAND Flash设备易有坏块，为了补偿可能存在的坏块，通常在设计、生产时在规定的存储容量外另附加约2%大小的额外存储空间。NAND Flash用一个控制器管理坏块，当出现坏块控制器将数据转移到预定空闲存储区间，该过程对用户是透明的。

NOR的存储构架与PC机中的内存条技术类似，是一种并行的构架。由于单个芯片的存储容量提高困难，整个NOR芯片的存储容量较同时期的NAND小。过去NOR多采用单层存储单元排列，如今Intel公司采用多层存储单元 (multi-level cell)排列技术，以此提高单位面积存储器的容量。另外 Intel还计划采用提高芯片集成度的方法来提高NOR类型存储器的容量。NOR中多个存储单元是并行连接起来，可以允许特别快的实现随机字节访问。通常 NAND在容量上占优势，NOR适合在容量要求小、但随机字节读写快的应用领域。

由于NOR和NAND在存储单元组织上的差异，二者的寻址方式差异较大。NAND 的地址分为三部分:块号、块内页号、页内字节号。一次数据访问，NAND一般是经过三次寻址，先后确定块号、块内页号和页内字节号，至少占用三个时钟周期，因此随机字节读写速度慢。而NOR的地址线足够多，且存储单元是并列排布，可以实现一次性的直接寻址。另外，由于NOR的数据线宽度很大，即使容量增大，它的数据寻址时间基本上是一个常量，而NAND则比较困难。总之在数据传输速度上，NOR无论是在随机读取还是连续传输速度上都比NAND快，但相对而言，在连续大数据传输速度上，二者差异较小。从产品成本来看，NOR Flash的平均每MB成本是NAND Flash成本的三到四倍。成本价格的巨大差异，导致NOR容量增长比NAND困难。NOR Flash适用代码高速访问与执行，因此移动电话是NOR最常见的应用环境。

最近一年来NOR和NAND技术的竞争很激烈。支持NAND技术的公司主要是美国的SanDisk、日本的东芝公司和韩国的三星公司等。由于市场对大容量存储器的需求大于对数据读写速度的需求，目前NAND的销售量比NOR大，且增长速度也高一些。三星公司是目前全世界最大的Flash Memory提供商、东芝是第三大提供商。NAND 提供商在固守传统NAND应用领域的同时，开始追求传统的NOR应用领域，如：手机、PDA和电视机的机顶盒系统。相反NOR 支持者，如英特尔和AMD，正在通过加强整合蜂窝结构和毫微工艺来维护NOR应用领域。二者竞争激烈且开发商都有取代对方的欲望，但客观的评价是：由于 NOR和NAND在技术上具有互补性，二者将长期共存。

源文档 <http://hi.baidu.com/kelvin_yin/blog/item/874d97229e703bf5d7cae2c0.html>

闪存，闪速存储器(Flash Memory)是一种电可擦非易失性半导体存储器。由于采用的是非挥发性存储技术，闪速存储器在不加电状态下可以安全保存数据达十年以上。闪速存储器具有EZPROM那样的单管结构，制造成本低、体积小，且其存取时间仅为30ns，比EZPROM快得多。闪速存储器还兼有ROM和RAM两者的性能及高密度，因而是目前为数不多的既具备大容量、高速度，又具有非易失性、可在线擦写特性的存储器，闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近DRAM市场的1/4，与DRAM和SRAM一起成为存储器市场的三大产品。

常见的闪存芯片一般有以下两种:一种是传统的NOR闪存，其芯片内储存的数据可以直接读取，因而速度比较快，但是价格较高;另外一种是NAND闪存，这种闪存也称为固态硬盘，它内部数据以块为单位进行存储，地址线和数据线共用，使用控制信号选择。

各种存储设备如优盘，主板BIOS芯片、MP3, Smart Media卡、Disk On Chip (DOC), PCMCIA卡等都是使用上面的两种芯片作为存储介质。

NAND闪存芯片和NOR闪存芯片的不同主要表现在：

1) 闪存芯片读写的基本单位不同

应用程序对NOR芯片操作以“字”为基本单位。为了方便对大容量NOR闪存的管理，通常将NOR闪存分成大小为128KB或者64KB的逻辑块，有时候块内还分成扇区。读写时需要同时指定逻辑块号和块内偏移。

应用程序对NAND芯片操作是以“块”为基本单位。NAND闪存的块比较小，一般是8KB，然后每块又分成页，页的大小一般是512字节。要修改NAND芯片中一个字节，必须重写整个数据块。

2）NOR闪存是随机存储介质，用于数据量较小的场合；NAND闪存是连续存储介质，适合存放大的数据。

3) 由于NOR地址线和数据线分开，所以NOR芯片可以像SRAM一样连在数据线上。NOR芯片的使用也类似于通常的内存芯片，它的传输效率很高，可执行程序可以在芯片内执行( XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在Flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。由于NOR的这个特点，嵌入式系统中经常将NOR芯片做启动芯片使用。而NAND共用地址和数据总线，需要额外联结一些控制的输入输出，所以直接将NAND芯片做启动芯片比较难。

4) NAND闪存芯片因为共用地址和数据总线的原因，不允许对一个字节甚至一个块进行的数据清空，只能对一个固定大小的区域进行清零操作；而NOR芯片可以对字进行操作。所以在处理小数据量的I/O操作的时候的速度要快与NAND的速度。比如一块NOR芯片通常写一个字需要10微秒，那么在32位总线上写512字节需要1280毫秒；而NAND闪存写512字节需要的时间包括：512×每字节50纳秒+10微秒的寻页时间+200微秒的片擦写时间＝234微秒。

5）NAND闪存的容量比较大，目前最大容量己经达到8G字节。为了方便管理，NAND的存储空间使用了块和页两级存储体系，也就是说闪存的存储空间是二维的，比如K9F5608UOA闪存块的大小为16K，每页的大小是512字节，每页还16字节空闲区用来存放错误校验码空间(有时也称为out-of-band，OOB空间)；在进行写操作的时候NAND闪存每次将一个字节的数据放入内部的缓存区，然后再发出“写指令”进行写操作。由于对NAND闪存的操作都是以块和页为单位的，所以在向NAND闪存进行大量数据的读写时，NAND的速度要快于NOR闪存。

6）NOR闪存的可靠性要高于NAND闪存，这主要是因为NOR型闪存的接口简单，数据操作少，位交换操作少，因此可靠性高，极少出现坏区块，因而一般用在对可靠性要求高的地方。相反的，NAND型闪存接口和操作均相对复杂，位交换操作也很多，关键性数据更是需安错误探测/错误更正〔EDC/ECC,Error Detection Code/Error Correction Code)算法来确保数据的完整性，因此出现问题的几率要大得多，坏区块也是不可避免的，而且由于坏区块是随机分布的，连纠错也无法做到。

7）NAND Flash一般地址线和数据线共用，对读写速度有一定影响；而NOR Flash闪存数据线和地址线分开，所以相对而言读写速度快一些。

NAND和NOR芯片的共性首先表现在向芯片中写数据必须先将芯片中对应的内容清空，然后再写入，也就是通常说的“先擦后写”。只不过NOR芯片只用擦写一个字，而NAND需要擦写整个块。其次，闪存擦写的次数都是有限的.当闪存的使用接近使用寿命的时候，经常会出现写操作失败；到达使用寿命时，闪存内部存放的数据虽然可以读，但是不能再进行写操作了所以为了防止上面问题的发生，不能对某个特定的区域反复进行写操作。通常NAND的可擦写次数高于NOR芯片，但是由于NAND通常是整块擦写，块内的页面中如果有一位失效整个块就会失效，而且由于擦写过程复杂，失败的概率相对较高，所以从整体上来说NOR的寿命较长。

另一个共性是闪存的读写操作不仅仅是一个物理操作，实际上在闪存上存放数据必须使用算法实现，这个模块一般在驱动程序的MTD (Memory Technology Drivers)模块中或者在FTLZ (Flash Translation Layer)层内实现，具体算法和芯片的生产厂商以及芯片型号有关系。

通过比较可以发现，NAND更适用于复杂的文件应用，但是由于NAND芯片的使用相对复杂，所以对文件系统有较高的要求。

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