NandFlash详述

本文深入探讨了NandFlash的硬件实现机制,包括Flash内存单元的物理结构、SLC和MLC的实现机制、如何识别SLC还是MLC、物理存储单元的阵列组织结构以及整体架构。同时,阐述了Flash的特殊性与普通设备的区别,如最小操作单位、读取/写入的最小单位、擦除操作的最小单位和含义。

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NandFlash详述


Flash的硬件实现机制】

Flash全名叫做Flash Memory,属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device),与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。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入硬盘,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SDRAMDDR SDRAM,还是现在的DDR2DDR3等,都是断电后,数据就没了。

 

Flash的内部存储是MOSFET,里面有个悬浮门(Floating Gate),是真正存储数据的单元。

Flash之前,紫外线可擦除(uv-erasable)EPROM,就已经采用用Floating Gate存储数据这一技术了。

1.典型的Flash内存单元的物理结构

数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少,取决于图中的外部门(external gate)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。

 

SLCMLC的实现机制】

Nand Flash按照内部存储数据单元的电压的不同层次,也就是单个内存单元中,是存储1位数据,还是多位数据,可以分为SLCMLC

1. SLCSingle Level Cell:

单个存储单元,只存储一位数据,表示成10.

就是上面介绍的,对于数据的表示,单个存储单元中内部所存储电荷的电压,和某个特定的阈值电压Vth,相比,如果大于此Vth值,就是表示1,反之,小于Vth,就表示0.

对于nand Flash的数据的写入1,就是控制External Gate去充电,使得存储的电荷够多,超过阈值Vth,就表示1了。而对于写入0,就是将其放电,电荷减少到小于Vth,就表示0了。

关于为何Nand Flash不能从0变成1,我的理解是,物理上来说,是可以实现每一位的,从0变成1的,但是实际上,对于实际的物理实现,出于效率的考虑,如果对于,每一个存储单元都能单独控制,即,0变成1就是,对每一个存储单元单独去充电,所需要的硬件实现就很复杂和昂贵,同时,所进行对块擦除的操作,也就无法实现之前的,一闪而过的速度了,也就失去了Flash的众多特性了。

 

2. MLCMulti Level Cell

SLC相对应,就是单个存储单元,可以存储多个位,比如2位,4位等。其实现机制,说起来比较简单,就是,通过控制内部电荷的多少,分成多个阈值,通过控制里面的电荷多少,而达到我们所需要的存储成不同的数据。比如,假设输入电压是Vin4V(实际没有这样的电压,此处只是为了举例方便),那么,可以设计出22次方=4个阈值, 1/4 Vin1V2/4Vin2V3/4Vin3VVin

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