Storage-4---串行Nand Flash

引言：隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，有許多具有串行外圍接口（SPI）的應(yīng)用需要更高密度的內(nèi)存解決方案來存儲(chǔ)大型程序系統(tǒng)和文件。對于這些應(yīng)用需求，基于Nand結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)解決方案提供了Serial Nand系列。

Nand單元為固態(tài)大容量存儲(chǔ)市場提供了最具成本效益的解決方案，是高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度的理想選擇，以每兆比特的低成本提供1Gb和2Gb密度的存儲(chǔ)容量，因此串行Nand非常適合數(shù)字電視、機(jī)頂盒和AP路由器等嵌入式應(yīng)用程序，因?yàn)檫@些應(yīng)用程序現(xiàn)在包含更復(fù)雜的操作系統(tǒng)，用于管理多媒體、照片和其他數(shù)據(jù)密集型內(nèi)容。

1.Nand Flash的結(jié)構(gòu)

Nand即Non-Volatile Memory，非易失性存儲(chǔ)器，是一種最基本的閃存單元（閃：表征數(shù)據(jù)寫入寫出速度快）。

Nand Flash的結(jié)構(gòu)原理圖見圖4-1是一個(gè)8*8bit的Nand Flash的原理結(jié)構(gòu)圖，可見每個(gè)Bit Line下的基本存儲(chǔ)單元是串聯(lián)的，Nand讀取數(shù)據(jù)的單位是Page，當(dāng)需要讀取某個(gè)Page時(shí)，F(xiàn)lash控制器就不在這個(gè)Page的Word Line施加電壓，而對其他所有Page的Word Line施加電壓（電壓值不能改變Floating Gate中電荷數(shù)量），讓這些Page的所有基本存儲(chǔ)單元的D和S導(dǎo)通，而我們要讀取的Page的基本存儲(chǔ)單元的D和S的導(dǎo)通/關(guān)斷狀態(tài)則取決于Floating Gate是否有電荷，有電荷時(shí)，Bit Line讀出‘0’，無電荷Bit Line讀出‘1’，實(shí)現(xiàn)了Page數(shù)據(jù)的讀出，可見Nand無法實(shí)現(xiàn)位讀取（即Random Ａccess）。

圖4-1：Nand Flash的單元結(jié)構(gòu)

Nand Flash的串聯(lián)結(jié)構(gòu)決定了其很多特點(diǎn)：基本存儲(chǔ)單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)減少了金屬導(dǎo)線占用的面積，Die的利用率很高，因此Nand Flash存儲(chǔ)密度高，適用于需要大容量存儲(chǔ)的應(yīng)用場合，即適用于data-storage。串聯(lián)結(jié)構(gòu)還決定了Nand Flash無法進(jìn)行位讀取，也就無法實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元的獨(dú)立尋址，因此程序不可以直接在Nand中運(yùn)行。

Nand Flash寫入采用F-N隧道效應(yīng)方式，效率較高，因此Nand擦除/寫入速率很高，適用于頻繁擦除/寫入場合。同時(shí)Nand是以Page為單位進(jìn)行讀取的，因此讀取速率也不算低（稍低于NOR）。

Nand Flash具有較快的擦寫時(shí)間，相比Nor Flash具有較高的存儲(chǔ)密度和較低的每bit成本，但是Nand Flash的I/O接口沒有隨機(jī)存取外部地址的總線，所以Nand以Page為讀取單位和寫入單位，以Block為擦除單位，存儲(chǔ)器被劃分為可以獨(dú)立擦除的塊，因此可以在擦除舊數(shù)據(jù)的同時(shí)保留有效數(shù)據(jù)。

2.Nand Flash的分類

Nand閃存基于扇區(qū)（頁），適用于存儲(chǔ)連續(xù)的數(shù)據(jù)，如圖片、視頻、音頻或個(gè)人電腦數(shù)據(jù)。它可以作為裸片使用，也可以帶管理接口一起封裝起來統(tǒng)稱為托管型設(shè)備，包括eMMC、UFS、NVM（SSD）。閃存設(shè)備由2048個(gè)區(qū)塊組成，每個(gè)區(qū)塊有64頁，Nand閃存塊的編程和擦除次數(shù)是有限的，比如每個(gè)SLC Nand塊的編程/擦除次數(shù)是10萬次。

圖4-2：Nand Flash的區(qū)塊結(jié)構(gòu)

圖4-3：Nand Flash的分類

對于托管型Nand設(shè)備，由主機(jī)接口，控制器和Nand Flash組成，且全部集成在同一塊芯片上，設(shè)備本身提供高密度全托管存儲(chǔ)解決方案，管理Nand的內(nèi)部優(yōu)化算法，包括糾錯(cuò)、壞塊管理、損耗均衡、垃圾收集、物理邏輯映射。在沒有主機(jī)軟件參與的情況下，還可以執(zhí)行多個(gè)后臺(tái)內(nèi)存管理任務(wù)。

3.顆粒類型

圖4-4：多層單元（QLC），相當(dāng)于每個(gè)Nand單元的存儲(chǔ)密度更高

如圖4-4所示，Nand的存儲(chǔ)單元顆粒類型分為四種：SLC、MLC、TLC、QLC。SLC為Nand閃存架構(gòu)，全稱Single-LevelCell，單層單元閃存，其每一個(gè)單元儲(chǔ)存一位數(shù)據(jù)，但是SLC生產(chǎn)成本較高，晶片可重復(fù)寫入十萬次。SLC Nand包括3V并聯(lián)SLC Nand，密度從512Mb到8Gb不等；1.8V SLC Nand，提供1Gb至4Gb的密度。單元層數(shù) (bit/cell)：SLC（1bit/cell） / MLC（2bit/cell） / TLC（3bit/cell） / QLC（4bit/cell），最新的Nand層數(shù)堆疊已經(jīng)做到了232層。

4.Serial Nand Flash

特征屬性

Serial Nand Flash設(shè)備提供高級PBL（永久塊鎖）安全功能，該安全功能可以將閃存的塊或扇區(qū)永久設(shè)置為只讀，從而保護(hù)機(jī)密代碼免受故意篡改和攻擊。

結(jié)構(gòu)

圖4-5是SPI Serial Nand Flash的結(jié)構(gòu)，通電后自動(dòng)初始化設(shè)備，數(shù)據(jù)逐頁傳輸?shù)絾卧嚵谢驈膯卧嚵袀鬏數(shù)礁咚倬彺?a href="http://www.3532n.com/tags/寄存器/" target="_blank">寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，高速緩存寄存器最接近I/O控制電路，用作I/O數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖器；數(shù)據(jù)寄存器最接近存儲(chǔ)器陣列，用作閃存陣列操作的數(shù)據(jù)緩沖器。Serial Nand Flash存儲(chǔ)器陣列在基于頁面的操作中被編程和讀取，它在基于塊的操作中被擦除。高速緩存寄存器用作緩沖存儲(chǔ)器以啟用隨機(jī)數(shù)據(jù)讀/寫操作，Serial Nand Flash還使用一個(gè)新的SPI狀態(tài)寄存器，用于報(bào)告設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

圖4-5：Serial Nand Flash基本結(jié)構(gòu)

接口

Serial Nand Flash使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口（UFS使用多通道差分傳輸，后續(xù)單獨(dú)介紹UFS），按頁面/塊組織訪問Nand閃存核心。該命令集類似于常見的SPI-NOR命令集，經(jīng)過修改以處理Nand特定的功能和新功能，這些修改是專門用于處理與Nand閃存架構(gòu)相關(guān)的功能，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外圍接口SPI命令集兼容，該接口支持頁面和隨機(jī)讀/寫以及內(nèi)部數(shù)據(jù)移動(dòng)功能、片上ECC。SPI Nand Flash，可以配置為1線，雙線，四線模式，相關(guān)模式和Serial Nor Flash一致，傳送門：Digital series-Storage-1：什么是串行Nor Flash？

傳輸速度和容量

Serial Nand Flash容量做的比較大，從1G-8Gb，時(shí)鐘頻率可以到133MHz，適用于存儲(chǔ)純程序包文件（例如視覺算法包，識(shí)別推理模型），并且對系統(tǒng)運(yùn)行起來的時(shí)間要求不是很高（ADAS領(lǐng)域的J2芯片搭配的ROM就是512MB的SPI Serial Nand Flash）。