Nand Flash基本认识

1、nand flash概念

半导体存储器领域最重要的现象是闪存市场的爆炸式增长，其推动力来自手机和其他类型的便携式电子设备。强大的综合技术、灵活性和成本使闪存在大多数非易失性存储器应用中成为一种广泛使用、成熟稳固的技术。如今，闪存的销售额在整个半导体市场中占有相当大的比重。nand flash是一种非易失性存储介质，首先非易失性存储技术是一种能够在断电后保持存储数据的存储器技术，与易失性存储器不同，非易失性存储器不需要持续的电源供应保持存储的数据，包括ROM与flash memory两种。flash memory即为闪存，包括nor与nand两种。
实际应用中：

• NOR用于代码的数据存储应用。
• 用于数据存储的nand。
  本文针对NAND flash介绍相关情况。

2、nand 基本存储单元

nand 的基本存储单元 Cell 是一种NMOS的双层浮栅MOS管。

在源极（source）到漏极（Drain）之间电流单向传到的半导体上形成存储电子的浮栅，浮栅上下被绝缘层包围，存储在里面的电子不会因为掉电而小时，所以nand是非易失性存储器。

3、基本操作

• erase
  擦除操作是在衬底加强电压，引发量子隧道效应，使电子能够从浮栅层通过绝缘层吸向衬底，电子的流动会改变存储单元的逻辑状态，从1变为0，实现擦除数据的操作。
  nand flash的擦除操作是以块block为单位进行的，同时由于擦除操作会对存储单元造成一定的损伤，因此需要对擦除次数进行限制，避免存储单元的寿命缩短。
• program
  写入操作是在控制极施加正电压，引发量子隧道效应，使电子能够从源极通过绝缘层进入浮栅层，此时读取状态为1，实现写入操作 。写入操作是页page为单位进行的。
• read
  进行读取操作的时候需要给本页控制极一个较低的读取电压，通过判断源极和漏极间是否处于导通状态来读取闪存单元的状态，如果进行过写入操作，浮栅层内的电子会抵消读取电压，则读取状态为0，而进行擦除操作后的浮栅层内不存在电子，则处于导通状态，所以读取状态为1。同时，闪存快当中未被选取的闪存页的控制极都会施加一个正电压，以保证未被选中的MOS管是导通的。

PS: 为什么进行写入操作之前要先擦除?
因为当电子注入浮栅层上后，电荷就被固定无法再次吸入，而擦除操作是将浮栅层内电子吸出到衬底，令浮栅层可以再次吸入电子。进行过写入操作的浮栅层无法再次改变电子数目，而擦除后的浮栅层可以重新吸入电子，即闪存单元的存储状态只能由 1 变为 0，不能由 0 变为 1。而写入操作可能会出现这两种存储状态改变的情况，所以进行写入操作之前要先进行擦除操作，不能直接覆盖写。

4、nand 分类

NAND闪存颗粒根据存储原理分为SLC、MLC、TLC和QLC，从结构上又可分为2D、3D两大类。

• 第一代SLC（Single-Level Cell）每单元可存储1比特数据(1bit/cell)，性能好、寿命长，可经受10万次编程/擦写循环，但容量低、成本高；
  

• 第二代MLC（Multi-Level Cell）每单元可存储2比特数据(2bits/cell)，性能、寿命、容量、成本各方面比较均衡，可经受1万次编程/擦写循环，现在只有在少数高端SSD中可以见到；
  

• 第三代TLC（Trinary-Level Cell）每单元可存储3比特数据(3bits/cell)，性能、寿命变差，只能经受3千次编程/擦写循环，但是容量可以做得更大，成本也可以更低，是当前最普及的；
  

• 第四代QLC（Quad-Level Cell）每单元可存储4比特数据(4bits/cell)，性能、寿命进一步变差，只能经受1000次编程/擦写循环，但是容量更容易提升，成本也继续降低。

• 2D NAND，也称为平面NAND，已经达到了其容量发展的极限。2D NAND 容量增长受到有限宽度和长度尺寸内可以容纳多少存储单元的限制。由于存储单元只能在一个平面上布置，随着存储容量的增加，每个存储单元的面积变小，导致存储单元之间的相互影响增加，容易产生电荷干扰和数据损失。2D NAND的写入速度相对较慢。在编程和擦除操作中，需要消耗较长的时间来将电荷注入或移除存储单元中，这会导致写入操作的延迟。
  

• 3D NAND正是为了克服 2D NAND 的容量限制而开发的。3D NAND 架构可在不牺牲数据完整性的情况下扩展到更高的密度。与存储单元水平堆叠的2D NAND 不同，3D NAND 使用多层垂直堆叠，以实现更高的密度、更低的功耗、更好的耐用性、更快的读写速度和更低的成本。由于将如此多的垂直单元封装成较小的宽度和长度尺寸，因此 3D NAND 在相同的长度和宽度尺寸下具有比 2D NAND 更大的容量。