Nand flash的基础知识

什么是Nand Flash？

Nand Flash是一种非易失性随机访问存储介质，基于浮栅（Floating Gate）晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，电荷被存储在浮栅中，他们在无电源供应的情况下仍然可以保持。数据在Flash内存单元中是以电荷的形式存储的，存储电荷的多少取决于浮栅的外部门所被施加的电压，其控制了是向存储单元中充入电荷还是释放电荷。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。

对于NAND Flash的写入，就是控制Control Gate去充电（对CG加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。
对于NAND Flash的擦除，就是对悬浮门放点，低于阈值Vth，就表示1。

Nand Flash生产过程

Nand Flash是从原始的硅材料加工出来的，硅材料被加工成晶圆（Wafer），一片晶圆可以做出几百颗Nand Flash芯片。芯片未封装前的晶粒称为Die，它是从Wafer上用激光切割而成的小片，每个Die就是一个独立的功能芯片，它由无数个晶体管电路组成，但最终可被作为一个单元封装起来成为闪存颗粒芯片，下面是Nand Flash芯片的详细加工过程。

Nand Flash的物理结构

Nand Flash的容量结构从大到小可以分为Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。一个Device有若干个Die(或者LUN)，每个Die有若干个Plane，每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应着一个WordLine。

Die/LUN是接收和执行FLASH命令的基本单元。不同的LUN可以同时接收和执行不同的命令。但在一个LUN当中，一次只能执行一个命令，不能对其中的某个Page写的同时又对其他Page进行读访问。下面详细介绍下这些结构单元和之间的联系。

• Device就是指单片NAND Flash，对外提供Package封装的芯片，通常包含1个或多个Target。
• Target拥有独立片选的单元，可以单独寻址，通常包含1或多个LUN；LUN也就是Die，能够独立封装的最新物理单元，通常包含多个plane。
• Plane拥有独立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K个奇数或偶数Block。
• Block是能够执行擦出操作的最小单元，通常由多个Page组成；Page是能够执行编程和读操作的最小单元，通常是4KB/8KB/16KB/32KB等。
• Cell是Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit数据，主要为颗粒类型。
  下图是一个Flash Block的组织架构，每个Cell的漏极对应BL(Bitline)，栅极对应WL(Wordline)，源极都连在一起。每个Page对应着一个Wordline，通过Wordline加不同电压和不同时间长度进行各种操作。
  
  一个WordLine对应着一个或者若干个Page，对于SLC来说一个WordLine对应着一个Page；对于MLC来说则对应2个Page；Page的大小与WordLine上存储单元（Cell）数量对应。
  
      下图是一款存储芯片的内部布局
  由图可以看出一片Nand Flash为一个设备（device），其数据存储分层为：
  1、1个设备（device） = 1024个块（blocks），块是nand flash擦除操作的最小单位。
  2、1个块（block） = 64个页（Page），页就是Nand Flash写入的最小单位，对于每一个页，有数据块区域和空闲区域。数据区，就是存储一些数据，对于空闲区，一般也叫做OOB(out of band)，这个区域，是基于Nand flash的硬件特性设计的，nand flash在数据读写的时候很容易错误，所以为了保证数据的正确性，必须要有对应的检测和纠错的机制，此机制就被叫做ECC，这个空闲区就是为了存放数据的校验值。
  3、一个页（Page） = 数据块大小（2K） + OOB块大小（64Bytes）
  以此可以计算出如何访问一个物理地址：块大小x块号 + 页大小x页号 + 页内地址
  从硬件的图来看，上面这款芯片，其容量是132MB，那么就需要28条地址线，而nand flash只有8个I/O引脚可以用作地址线，所以nand flash就引入了地址周期的概念。对于这款nand flash，需要4个周期：2个列地址（column）周期和2个行地址（ROW）周期。从下面的功能框图来看，对于列地址A0 – A11，就是页内地址，地址范围是0 – 4096。与页内地址（2K + 64）吻合，其实对与页内地址，其实只需要A0-A10，而对于多出来的A11，是用来表示页内的OOB区域。那么对于A12 - A27就是用来表示属于哪一个块和块里面的哪一个页号。
  ###### Nand flash的操作
      上面这款芯片支持的命令格式
      下图是发送一个命令/地址/数据的完整过程
  
  通过时序图看出，上面有很多时间参数，在设置Nand flash控制器的时候，需要确认这些时间参数是否在合适的范围内，对于控制命令都是通过上面的几个基础命令组合而来。

Flash的基本特性

Data Retention(数据保存力)是用于衡量写入NAND Flash的数据能够不失真保时间的可靠性指标，一般定义为在一定的温度条件下，数据在使用ECC纠错之后不失真保存在NAND Flash中的时间；影响Data Retention最大的两个因素是擦写次数和存储温度，通常情况下企业级SSD盘的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218标准，即40°C室温下，100%的PE Cycle之后，在下电的情况下Data Retention时间要求达到3个月。

Nand Flash写入前必须擦除，Block擦除1次之后再写入1次称为1次PE Cycle，Endurance(耐用性)用于衡量NAND Flash的擦写寿命的可靠性指标；Endurance指的是在一定的测试条件下NAND Flash能够反复擦写数据的能力，即对应NAND Flash的PE（Program/Erase）Cycle。

Bit Error Rate（BER）指由于NAND Flash颗粒概率发生Bit位翻转导致的错误，其中，RBER(Raw Bit Error Rate)指没有经过ECC纠错时出现一个Bit位发生错误的几率，RBER也是衡量NAND品质的一项指标。RBER是NAND自身品质的一个特性，随着PE次数的增加会变差，出现趋势呈指数分布，其主要原因是擦写造成了浮栅氧化层的磨损。

UBER（Uncorrectable Bit Error Rate）指发生不可纠正ECC错误的几率，即一个纠错单元Codeword内发生bit位翻转的位数超出ECC算法可纠能力范围的几率。

DWPD（Diskful Write Per Day）指每日写入量。SSD的成本随着DWPD增加而变高，未来SSD的趋势预测密集型当前已占50%，未来的占比会逐渐变大。

Nand Flash的寿命不等于SSD的寿命；SSD盘可以通过多种技术手段从整体上提升SSD的寿命，通过不同的技术手段，SSD盘的寿命可以比NAND Flash宣城寿命提高20%~2000%不等。


Nand Flash的寿命主要通过P/E cycle来表征。SSD由多个Flash颗粒组成，通过盘片算法，可以发挥有效颗粒寿命。影响SSD盘使用寿命关键因素主要包括下面因素：

• 每年写入数据量，和客户的业务场景有关；
• 单个Flash颗粒寿命，不同颗粒的P/E cycle不同
• 数据纠错算法，更强纠错能力延长颗粒使用寿命
• 磨损均衡算法，避免擦写不均衡导致擦写次数超过颗粒寿命
• Over Provisioning占比，随着OP（预留空间）的增加SSD磁盘的寿命会得到提高。

Flash的种类

Flash通常分为raw nand和spi nand

• raw nand TSOP封装物料实物图
  
• spi nand TSOP封装
  
  对于常见的Nand Flash所拥有的的引脚（Pin）对应的功能如下：
• I/O0~I/O7：用于输入地址/数据/命令，输出数据
• CLE：Command Latch Enable，命令锁存使能，在输入命令之前，要先在模式寄存器中，设置CLE使能。
• ALE：Address Latch Enable，==地址锁存使能，在输入地址之前，要先在模式寄存器中，设置ALE使能。（地址锁存是由于数据和地址是复用同一些信号线或引脚的，一般来讲是由于工艺的要求，尽量节省成本和开支，那么在同一个引脚上就会出现两种信息：地址和数据，可处理器读的时候并不知道什么时候是地址，什么时候是数据，因此，需要一些专用的芯片把它们分开，用一些专用的信号联络线来区分这些信号，这就叫地址锁存）
• CE#：Chip Enanle，芯片使能，在操作Nand Flash之前，要先选中此芯片，才能操作。
• RE#：Read Enable，读使能，在读取数据之前，要先使CE#有效。
• WE#：Write Enable，写使能，在写取数据之前，要先使WE#有效。
• WP#：Write Protect，写保护。
• R/B#：Ready/Busy/Output，就绪/忙，主要用于在发送编程/擦除命令后，检测这些操作是否完成，忙，表示编程/擦除操作仍在进行中，就绪表示操作完成。
• Vcc：Power 电源
• Vss：Ground 接地
• N.C：Non-Connection，未定义，未连接。
• 【小常识】在数据手册中，对于一些引脚的定义，有些字母上面带一横杠，那是说明此引脚/信号是低电平有效。
• 【为何需要ALE和CLE】地址锁存和数据锁存命令的设计是为了方便控制器区分当前I/O引脚输入的是数据还是命令，因为Nand Flash只有8个I/O，而且是复用，可以传数据也可以传命令。因此设计ALE与CLE引脚使能控制器做相应功能处理
• 【Nand Flash只有8个I/O引脚的好处】使用I/O复用可以减少芯片接口，也意味着使用此芯片的相关的外围电路会更加简化，避免繁琐的硬件连线。使用统一的8个I/O引脚的Nand Flash使用统一的接口、同样的时序、同样的命令，不会因为芯片的大小的改变或其他变化而影响。这样提高了系统的扩展性。

Nand Flash的特殊硬件结构

    1、需要先擦除才能写入。Nand Flash可以读写一个Page，但是必须要以Block大小进行擦除。擦除操作就是让块中所有的bit变成1，从一个干净的“已擦除”状态的Block重新开始，当里面的页变成0后，只有擦除整个块才能让这个页变成1.为了尽量减少擦除的次数，成熟的管理技术必不可少。
    2、读、写干扰。Nand Flash的电荷非常不稳定，在读/写中很容易对相邻的单元造成干扰，干扰后会让附近单元的电荷脱离实际的逻辑数值，造成bit出错，因为阈值接近的关系，MLC相对SLC来说更容易受到干扰。读取干扰指的是在读取某个page时，邻近的bit会受到升高电压的干扰，造成bit出错。写入干扰指的是，某个page在写入时，邻近bit的电压也被升高了，造成bit出错。相对写入干扰来说，读取干扰明显小的多。在读/写干扰中，可能造成某些bit被改变，结果造成数据出错。所以需要在返回数据给主机前，用ECC/EDC算法来纠正这些bit的错误。随着闪存工艺的提升，同样大小的晶片上被封装入更多的单元，造成告饶越来越厉害，所以需要更强大的ECC/EDC来纠正bit。
    3、数据保存期限。数据保存期指的是当完全断电后，数据能在NAND Flash中保存多久。NAND单元必须保存一个稳定的电压水平，来保证数据是有效的。典型的SLC一般为20年。电荷从悬浮门里漏出，这叫做电子迁移，当随着时间的流逝，电核泄漏到一定程度，改变了NAND单元里悬浮门的电压对应的逻辑值，这样就造成了bit出错。数据保存期会随着擦写次数的增加而明显降低，MLC的数据保存期明显会比SLC少，而且更容易被干扰。
    4、坏块。Nand Flash中有两种坏块类型：出厂坏块，由于为了保证量产和控制成本，出厂的Nand Flash某些就会有坏块，厂商保证SLC出厂坏块低于2%，MLC出厂坏块低于5%。积累坏块，在多次的写入/擦除循环中，某些Nand单元的电荷电压被永久性的改变了，那就意味着包含这个Nand单元不再可用。所以固态硬盘需要有坏块管理才能使用，主控制器用坏块表来映射出厂坏块和积累坏块到坏块区内，出厂时，颗粒的第一个块Block 0厂商会保证是可用的。（至少ECC后可用）
    5、擦写次数限制。造成nand flash有擦写次数限制的主要有2个因素，电荷被困在氧化层，不能进入悬浮门；或是氧化层结构被破坏。

    如图，一旦氧化层损坏到达一定程度，造成电荷越来越难在P-substrate和悬浮门之间交流。电荷被困在氧化层造成悬浮门中的电压到达不了阈值，所以说这个NAND单元就要被放入坏块区了。当前主流SLC的P/E为10万次，50nm MLC为1万次，3xnm的MLC为5000次。到了这个数值并不意味着不能使用了，这只是代表平均寿命，也就是说到了这个数值后，坏块会开始大量增加。随着工艺的提升，ECC的要求越来越高，50nm的SLC颗粒，三星对顶1bit ECC的就够了，而50nm MLC需要4bit ECC，到了3xnm要求达到24bit ECC。

ECC

    影响Nand Flash稳定性和耐久度的一个主要因素就是ECC能力，目前最常用的三种算法是：

• Reed-Solomon
• Hamming
• BCH（Bose,Ray-Chauduri,Hocquenhem）
  不管是任何ECC算法，任何主控，检测错误的方式都是相同的：
  
      1、每当一个Page写入Nand Flash，数据会通过ECC引擎，创造独特的ECC签名。
      2、数据和对应的ECC签名都存放在Nand Flash里，数据存放在数据区，ECC签名存放在SA区。
      3、当需要读取数据时，数据和ECC签名一起被送往主控制器，此时新的ECC签名被生成。
      4、此时主控把2个签名对照，如果签名相同，说明数据没有错误，数据就会被送往主机。如果签名不同，数据就会先放在主控里，而不是直接送往主机。
      某些主控会把改正后的数据再次回写闪存，另一些则不会，因为谁也不知道下次读取会不会再出错。ECC的能力直接关系到Nand Flash的耐久度，数据保存期。当Nand Flash的P/E数到了之后，错误数会越来越多，ECC弱的直接就报坏块并标记退休，如果ECC能力足够强，就能够挖掘出Flash的所有潜力。

闪存内部原理

    闪存的内部存储结构是金属-氧化物-半导体-场效应管（MOSFET）:源极、漏极和栅极，其工作原理与场效应管类似，都是电压利用控制源极和漏极之间的通断。闪存是双栅极结构，在栅极和硅衬底之间还有一个浮置栅极，浮置栅极是有氮化物夹在二氧化硅材料之间构成。
    对闪存单元的编程：控制栅极去充电，对栅极加压，使得浮置栅极存储的电荷越多，超过阈值，就表示0；对闪存单元的擦除，即对浮置栅极进行放电，低于阈值，就表示1。