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你知道什么是閃存（Flash Memory）嗎？閃存（Flash Memory）是一種存儲數據的半導體。它被用于智能手機和我們周圍的許多其他電子設備。

KIOXIA公司于1987年發明了世界上第一個NAND閃存，并且仍然是開發和制造的領先公司之一。在所有類型的閃存中，NAND閃存是今天世界上使用最廣泛的內存。

讓我們來看看什么是閃存（Flash Memory）。智能手機能夠在閃存中存儲各種數據，如文本、圖像和音樂，因為所有數據都是使用0和1以數字數據表示的。例如，想象一下，你的智能手機上顯示了一張照片（圖1）。如果我們放大并仔細觀察此圖像，它由一個點（像素）集合組成。每個單獨的點由光的三種原色組成：紅色、綠色和藍色。在數字數據中，每個光的亮度都以256級調整，有八個0和1（2到8次方）。總共，24個0和1的組合可以表達大約1677萬種顏色（256級紅色×256級綠色×256級藍色）。例如，圖1中照片中的粉紅色是亮紅光（11111111）、深綠光（10000000）和亮藍光（11000000）的組合，因此它可以存儲為“11111111100000011000000”。通過這種方式，存儲在智能手機中的文本、圖像和音樂等所有數據都存儲為0和1的組合。

一、閃存（Flash Memory）的發展歷史

閃存（Flash Memory）是由日本的舛岡富士雄（Fujio Muoka）發明的。他分別于1966年和1971年從日本東北大學（Tohoku University）獲得學士和博士學位，博士畢業之后他加入了東芝（Toshiba）公司。在東芝工作期間，他分別于1980年和1988年發明了NOR Flash 和 NAND Flash。

二、閃存（Flash Memory）的介紹

閃存，又可稱作：閃速存儲器，英文全稱：Flash Memory，又簡稱Flash，是一種非易失性存儲器,用存儲單元閾值的高低表示數據。浮柵(Floating Gate )場效應管(見圖5-80)是Flash存儲單元采用的主要技術。浮柵上的電荷決定了場效應管的閾值:編程通過量子隧道效應將電子注入浮柵閾值增大，代表邏輯“0”;擦除則相反，將電子從浮柵中提出，閾值減小,代表邏輯“1”。

三、閃存（Flash Memory）的主要特性

與傳統的硬盤存儲器相比，閃存（Flash Memory）具有質量輕、能耗低、體積小、抗震能力強等的優點，但也有不少局限性，主要如下:

1、需要先擦除再寫入

閃存（Flash Memory）寫入數據時有一定的限制，它只能將當前為1的比特改寫為 0，而無法將已經為0的比特改寫為 1，只有在擦除的操作中，才能把整塊的比特改寫為 1。

2、塊擦除次數有限

閃存（Flash Memory）的每個數據塊都有擦除次數的限制(十萬到百萬次不等)，擦寫超過一定次數后，該數據塊將無法可靠存儲數據，成為壞塊。

為了最大化的延長閃存（Flash Memory）的壽命，在軟件上需要做擦寫均衡(Wear Leveling)，通過分散寫入、動態映射等手段均衡使用各個數據塊。同時，軟件還需要進行壞塊管理(Bad Block Management，BBM)，標識壞塊，不讓壞塊參與數據存儲。(注:除了擦寫導致的壞塊外，閃存（Flash Memory）在生產過程也會產生壞塊，即固有壞塊。)

3、讀寫干擾

由于硬件實現上的物理特性，閃存（Flash Memory）在進行讀寫操作時，有可能會導致鄰近的其他比特發生位翻轉，導致數據異常。這種異?？梢酝ㄟ^重新擦除來恢復。閃存（Flash Memory）應用中通常會使用 ECC日等算法進行錯誤檢測和數據修正。

4、電荷泄漏

存儲在閃存（Flash Memory）存儲單元的電荷，如果長期沒有使用，會發生電荷泄漏，導致數據錯誤。不過這個時間比較長，一般十年左右。此種異常是非永久性的，重新擦除可以恢復。

四、閃存（Flash Memory）的基本儲存單元構造

閃存（Flash Memory）的基本儲存單元（Memory Cell）如下圖所示?？雌饋碛悬c像N溝道（N-Channel）MOS管，但比MOS管多一個懸浮閘（Floating Gate）。懸浮閘內可以儲存電荷。在懸浮閘的兩端，是層間絕緣膜和二氧化硅隧道氧化膜。一旦電荷進入懸浮閘內，在沒有外部施加電壓的情況下，可以被長期保存。常溫環境下，這些電荷可以被保存10年以上。但如果環境溫度過高，懸浮閘內的電子可能會因為獲得熱能而逃逸。電荷逃逸意味著數據丟失。懸浮閘的上方是控制閘（Control Gate），相當于MOS管的G極。懸浮閘的下方，左邊是源極（Source），右邊是漏極（Drian）。最下面是P阱（P-Well）。

五、閃存（Flash Memory）的工作原理

閃存（Flash Memory）的基本單元就是一個帶浮柵（Floating Gate）的MOS管（MOSFET），浮柵中可以存儲電荷，從而改變該單元的控制柵極（Control Gate）開關閾值電平Vth，當浮柵中存有正電荷時（Erased）表示為“1”，當浮柵中存有負電荷/電子時（Programmed）表示為“0”。

NAND Flash通常將多個基本單元串聯起來形成一條String。如下圖，共有32個基本單元，2個全局選通MOSFET（SGD，SGS）用來連接或者隔離 Bit Line（BL）和 Source Line（SL）。一條String上可能有 8 cells --> 16 cells --> 32 cells（0.12um工藝） --> 64 cells( 43nm工藝)。

多條String 組合起來就可以形成一個 Block，其中一條word line 對應兩個Page，奇數號BL對應一個Page，偶數號BL對應另外一個Page。

多個Block就可以組成一個完整的NAND Flash，如下圖：該NAND Flash包含8192個Block，每個Block包含有64個Page，每個Page包含有（4K +128 ）個Bytes。

六、閃存（Flash Memory）的分類

目前市面上的閃存（Flash Memory）按照存儲單元連接方式的不同，可分為或非閃存(NOR Flash)和與非閃存(NAND Flash)兩種，它們的存儲單元陣列如下圖所示。

NOR Flash 單元并聯連接，比NAND Flash單元面積大容量小。NOR Flash的操作類似于SRAM和DRAM,可以實現快速隨機讀取，所以多用于代碼存儲。NAND Flash單元串聯連接，成為一個存儲單元串，減少了接觸孔的數量。NAND Flash平均單個存儲單元的面積接近4F2(F為工藝特征尺寸)，比NOR Flash 集成度更高，多個存儲單元串構成存儲單元塊。NAND Flash 的擦除操作以塊為單位進行,其讀操作和編程操作以頁為單位進行，非常適合大容量的數據存儲應用。NANDFlash普遍用在智能手機、數碼相機、MP3等電子產品;還可用來實現固態硬盤(Solid State Drive，SSD),作為硬盤的替代品，具有抗振、速度快、無噪聲、耗電低的優點。

按照單個存儲單元存儲數據位的多少，Flash分為SLC、MLC、TLC等。SIC 、MLC閃存單元閾值電壓分布示意圖如下圖所示。SLC閃存的1個Flash單元存儲1位信息。為了實現更高的存儲密度，多電平(Muti-Level)閃存單元將閾值電壓編程為多個電平,1個場效應管可以存放1位以上的信息。目前已經實現了1個閃存單元可以存放2位數據的MLC閃存和可以存放3位數據的TLC閃存。

閃存存儲單元所能存放的位數取決于閾值電壓能被編程和被檢測的精度。存儲單元的閾值電壓通過調整被選字線上的電壓進行檢測。不同的字線電壓會導致位線流過存儲單元的放電電流ICELL不同，通過識別電流大小即可判斷閾值的大小。NAND閃存單元閾值電壓檢測電路如下圖所示。首先，節點UOUT充電至UDD,并通過場效應管MN、對位線進行充電。由于MN的柵極電壓為U1，所以位線充電至電壓U1-UTHN,UTHN為閾值電壓。然后，MN關閉，節點UOUT停止預充。存儲單元串打開后位線開始放電，此時選中單元的字線電壓為UREAD。最后，MN柵極電壓為U2。此時如果UBLUREAD。U1、U2和UREAD電壓的精度直接決定了閾值檢測的精度,需要精心設計相關電壓產生電路。

保持時間(Retention Time)是衡量閃存可靠性的重要指標之一，表征了 Flash單元能保持數據的持續時間。實際應用中由于絕緣層中存在缺陷，浮柵上的電荷會逐漸泄漏。目前制造商通常規定的保持時間為10 年。耐久性(Endurance)是閃存設計的重要挑戰，由于柵氧層在多次高電壓操作后會逐漸損壞，并且隨著工藝特征尺寸的縮小，相鄰浮柵單元之間的耦合干擾愈發嚴重，一個單元能被擦除和重新編程的次數是有限的。目前，SLC耐久性的典型值為10萬個擦除/編程周期，MLC的耐久性可低至1萬個擦除/編程周期甚至更低。針對這些挑戰，一方面通過工藝進步提升存儲單元本身的耐久性，比如電荷俘獲型(Charge Trap) Flash存儲單元克服了浮柵單元之間的耦合干擾，使得Flash技術在平面可以繼續微縮至十幾納米;另一方面通過芯片設計的改進降低陣列操作對存儲單元的磨損,包括調整高電壓操作的電壓值以及時間長度,引入驗證和禁止編程機制等。

七、閃存（Flash Memory）的基礎知識詳解

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八、閃存（Flash Memory）的讀寫和擦除

這里我們以NAND Flash 為例子，簡單說明一下閃存的讀寫和擦除操作。

1、讀操作

如果要讀取某個單元，一般將CG端接Vgate（通常為0V），Vd為1V，Vs接地。如果浮柵中有負電荷（Programmed），那么該MOSFET不通，Icell 電流=0，Bit Line寄生電容上的電壓（一般會預充電（Precharge）到一個合適的電壓）就不會產生太大的變化，Sensing 電路就會輸出結果“0”，如果浮柵中有正電荷（Erased），那么該MOSFET也會導通，Icell電流大約為幾百nA，Bit Line寄生電容上的電壓就會很快下降，Sensing 電路就能感知這種變化，輸出結果“1”。

通常NAND Flash 讀操作是以Page為單位的，對于選中的Page，在其對應的WL施加電壓Vread（通常是0V），BL接1V，SL接地，其他所有沒有選中的Page，在其對應的WL施加電壓VpassR(通常為4.5V~6V)，這樣便可以使得所有沒有被選中的單元，都相當于一個直通（pass through）的MOSFET，從而Icell電流的大小，只取決于被選中的單元中是否存有電荷/電子。

2、編程和擦除操作

寫數據/編程時，通常是按照Page編程，把該Page對應的Word Line/控制柵極（Control Gate）的電壓設置為20V，襯底接地，這樣就會形成一個向下的強電場，從而使得電子通過 F-N Tunneling量子效應，進入浮柵，這樣就實現了將數據“0”寫入該單元。

擦除一般是按整個Block進行擦除，通常是將該Block所有的Word line接地，然后將這個Block的襯底接20V，這樣就可以將存儲在浮柵中的電子移除，從而實現將整個Block中的數據擦除。

九、閃存（Flash Memory）的應用領域

當前，在生成式AI技術浪潮的助推下，數據存儲和處理的需求呈爆炸性增長。閃存（Flash Memory）技術作為一種高性能、低功耗、高可靠的存儲解決方案，已在眾多行業得到廣泛應用，并成為推動業務發展及數據創新的重要引擎。閃存（Flash Memory）具有許多顯著優勢。首先，它的讀寫速度快，能夠大大縮短數據訪問的時間，提高系統的響應速度。其次，閃存（Flash Memory）具有低功耗的特點，這對于移動設備和對能源效率有嚴格要求的數據中心來說至關重要。

1、數據中心

數據中心需要處理海量的數據，閃存（Flash Memory）技術以其卓越的讀寫性能和低延遲特性，成為大數據分析和高并發應用的首選存儲方案。SSD（固態硬盤）已逐步替代傳統HDD（機械硬盤），成為數據中心的主流存儲介質。通過SSD，數據中心能夠更高效地處理海量數據，滿足云計算和大數據的存儲需求。

a.加速數據處理和響應

數據中心對系統響應時間要求極為苛刻。閃存（Flash Memory）技術憑借其極快的讀寫速度，能夠顯著縮短數據的訪問時間，從而大幅提升數據處理的效率。無論是在線交易處理、實時數據分析還是云計算服務，閃存（Flash Memory）技術都能確保數據中心在最短的時間內為用戶提供準確的信息，增強業務的連續性和競爭力。

b.提升虛擬機性能

隨著虛擬化技術在數據中心的廣泛應用，虛擬機的性能優化成為關鍵。閃存（Flash Memory）可以為虛擬機提供高速的存儲支持，快速加載操作系統和應用程序，實現虛擬機的快速啟動和遷移，極大地提高了資源的利用效率和靈活性，滿足不同業務需求的快速部署和調整。

c.改善存儲分層架構

數據中心通常采用存儲分層策略，以平衡性能和成本。閃存（Flash Memory）技術因其出色的性能，成為存儲分層中的關鍵一層。對于經常訪問的熱數據和對性能要求高的關鍵業務數據，將其存儲在閃存（Flash Memory）層，可以顯著提高數據的讀取和寫入速度，而相對不常訪問的冷數據則可以存儲在成本較低的傳統存儲介質上。

d.支持大數據分析和人工智能工作負載

大數據分析和人工智能應用需要處理海量的數據，并進行復雜的計算。閃存（Flash Memory）技術能夠快速提供數據，減少數據讀取的等待時間，從而加速模型訓練和數據分析的過程。這對于金融風險預測、市場趨勢分析等需要快速獲得結果的業務場景至關重要。

e.降低能耗和空間占用

相比傳統的機械硬盤，閃存（Flash Memory）技術具有更低的能耗和更小的物理尺寸。在大規模的數據中心中，采用閃存（Flash Memory）可以顯著降低電力消耗和冷卻成本，同時減少存儲設備所占用的物理空間，有助于數據中心實現綠色、高效和集約化的運營。

f.保障數據一致性和可靠性

在關鍵業務應用中，數據的一致性和可靠性是首要考量。閃存（Flash Memory）技術能夠提供穩定的性能和可靠的數據存儲，減少數據丟失和錯誤的風險。結合先進的糾錯和數據保護技術，閃存（Flash Memory）可以確保數據中心的數據完整性和業務的連續性。

總之，閃存（Flash Memory）技術已經成為現代數據中心不可或缺的組成部分，為數據中心的高效運行、業務創新和可持續發展提供了有力的支撐。隨著技術的不斷進步和成本的進一步降低，閃存（Flash Memory）技術在數據中心領域的應用前景將更加廣闊。

2、汽車電子

隨著汽車智能化的發展，汽車中的電子系統越來越復雜，需要大量的存儲空間來存儲地圖、駕駛數據和娛樂內容。閃存（Flash Memory）技術的高可靠性和耐用性使其能夠適應汽車復雜的工作環境。

a.車載信息娛樂系統

閃存（Flash Memory）技術可以用于存儲車載信息娛樂系統的操作系統、應用程序和媒體文件等。它能夠提供快速的數據讀取和寫入速度，確保系統的響應性和流暢性。

b.高級駕駛輔助系統（ADAS）

ADAS 系統需要處理大量的傳感器數據，閃存（Flash Memory）技術可以用于存儲這些數據以及相關的算法和模型。快速的閃存（Flash Memory）能夠滿足 ADAS 對實時數據處理的要求。

c.自動駕駛

自動駕駛汽車需要處理和存儲大量的地圖數據、傳感器數據以及深度學習模型。閃存（Flash Memory）技術的高速讀寫和大容量特性使其成為自動駕駛系統中不可或缺的存儲解決方案。

十、寫在最后面的話

閃存（Flash Memory），作為現代電子設備中至關重要的存儲技術，正逐漸改變著我們的生活和工作方式。閃存（Flash Memory）是一種非易失性存儲器，這意味著即使在電源關閉后，存儲在其中的數據也不會丟失。

從工作原理來看，閃存（Flash Memory）通過在晶體管中存儲電荷來表示數據。它采用了一種被稱為“浮柵晶體管”的結構，利用電場來控制電荷的注入和釋放，從而實現數據的寫入和讀取。與傳統的機械硬盤相比，閃存（Flash Memory）具有更快的讀寫速度、更低的能耗、更小的體積和更強的抗震性。

閃存（Flash Memory）技術在多個領域都有著廣泛的應用。在消費電子領域，如智能手機、平板電腦和筆記本電腦，閃存（Flash Memory）已經取代了傳統的機械硬盤，成為主流的存儲設備。其快速的啟動速度和響應能力，為用戶帶來了更加流暢的使用體驗。在企業級應用中，閃存（Flash Memory）也在數據中心、服務器等領域發揮著重要作用，能夠大大提高數據處理和傳輸的效率。

隨著技術的不斷進步和需求的持續增長，閃存（Flash Memory）的發展前景極為廣闊。

首先，在容量方面，閃存（Flash Memory）的存儲密度不斷提高。新的制造工藝和材料的研發使得單個閃存（Flash Memory）芯片能夠容納更多的數據，滿足用戶對于大容量存儲的需求。

其次，性能的提升也是閃存（Flash Memory）發展的重要方向。更快的讀寫速度、更低的延遲將進一步拓展其應用領域，例如在高性能計算、人工智能等對數據處理速度要求極高的領域。

再者，成本的降低將使閃存（Flash Memory）更加普及。隨著生產規模的擴大和技術的成熟，閃存（Flash Memory）的價格有望逐漸下降，使其在更多的設備和場景中得到應用。

以下是一個簡單的對比表格，展示閃存（Flash Memory）與傳統機械硬盤的一些關鍵特性：