闪存存储器科普介绍
闪存存储器科普介绍
存储器是计算机和各种电子设备中不可或缺的组成部分，负责数据的存储和读取。从早期的EEPROM到现代的闪存技术，存储器经历了巨大的发展和变革。本文将为您详细介绍几种常见的存储器技术，包括EEPROM、闪存（NOR和NAND Flash）、EMMC和UFS，帮助您更好地理解这些技术的工作原理、特点和应用场景。
EEPROM
简介
EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器）是一种非易失性存储器，允许通过电信号进行擦除和重写。与EPROM（可擦除可编程只读存储器）不同，EEPROM不需要紫外线照射来擦除数据，操作更加方便。
工作原理
- 存储单元：基于浮栅晶体管，通过电荷存储数据。
- 写入操作：通过隧道效应将电子注入浮栅，改变晶体管的阈值电压。
- 读取操作：通过检测晶体管的阈值电压来判断存储的数据。
- 擦除操作：通过强电场将浮栅中的电子移除，恢复初始状态。
工作特性
- 非易失性：断电后数据不会丢失。
- 电可擦写：通过电信号擦除和重写数据，无需紫外线照射。
- 字节级操作：可以按字节进行擦除和写入，灵活性高。
- 耐久性：可承受多次擦写操作，但次数有限（通常为10万到100万次）。
- 低功耗：相比其他存储器，功耗较低。
应用场景
- 嵌入式系统：配置数据存储、固件更新。
- 消费电子：智能卡、家用电器。
- 工业控制：PLC（可编程逻辑控制器）、传感器。
- 汽车电子：ECU（电子控制单元）、仪表盘。
优/缺点
优点：
- 非易失性，断电后数据不丢失
- 电可擦写，操作方便
- 字节级操作，灵活性高
- 低功耗
缺点：
- 有限的擦写次数
- 存储密度较低，成本较高
- 写入速度较慢
闪存(NOR和NAND Flash)
定义
闪存是一种非易失性、可编程、基于芯片的高速存储技术，即使断电也能保留数据。闪存主要有两种类型：分别是NAND和NOR。NOR Flash和NAND Flash的发明者是东芝公司的桀冈富士雄。他在1971年加入东芝公司后，受到EEPROM的启发，于1980年发明了NOR Flash。随后，他在1986年发明了NAND Flash，大大降低了制造成本。
存储结构
NOR Flash
- 采用随机存取架构，可以按字节（Byte）或字（Word）访问数据。
- 优化为快速随机读取，适合存储固件和代码。
- 通过并行接口访问，存储密度低，成本较高。
NAND Flash
- 数据以块为单位存储，块内包含多个页（通常是 512B、2KB、4KB 或更多）。
- 优化为高密度存储，适合连续读取和写入。
- 通过串行接口访问，存储密度高，成本较低。
- 存储单元结构分2D和3D两种形态。
2D(平面) 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。
3D NAND
- 为了提高NAND设备的容量,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。
- 字线层数可以增加到400多层，内存密度非常高，达到28.2Gbit/mm²。
图一 2D/3D堆叠图
2D NAND模型结构
- 控制栅（Control Gate）：位于顶部，控制下面的浮动栅。通过控制栅的电压，可以控制电子是否可以进入或从浮动栅中离开。
- 浮动栅（Floating Gate）：位于控制栅下方，被绝缘层包裹，用于存储电子。电子流入或从浮动栅中离开来表示数据的1和0。
- Single-Si Channel：这是连接源极（S）和漏极（D）的硅沟道。电子通过这个通道从源极流向漏极，根据浮动栅的电荷状态来控制这个流动，从而读取存储的信息。
3D NAND模型结构
- 控制栅（Control Gate）：3D NAND的控制栅是环绕着存储柱的立体结构。
- 氮化硅（Nitride）：3D NAND使用电荷陷阱存储电子。电子被存储在氮化硅中，氮化硅是包裹在多晶硅沟道周围，代替了2D NAND中的浮动栅。这种电荷陷阱层使NAND具有非易失性的数据存储能力。
- Poly-Si Channel：与2D NAND的单晶硅通道不同，3D NAND中的通道是垂直构建的，并由多晶硅材料构成，形成一个立体的存储柱。
图二 模型结构图
NAND Flash技术类型
- SLC（Single-Level Cell）：每个单元存储1比特数据，提供最快的写入和检索速度，同时拥有最高的耐久性和长达10万个P/E周期。然而，由于其低数据密度，SLC也是成本最高的闪存类型，通常用于需要极高耐久性的应用，如服务器和军工设备。
- MLC（Multi-Level Cell）：每个单元存储2比特数据，提供比SLC更高的数据密度和更大的存储容量。尽管其耐久性较低，约有1万个P/E周期，但在许多应用中仍被视为一个平衡了性能和成本的有效选择。MLC在服务器和工业级应用中较为常见。
- TLC（Trinary-Level Cell）：每个单元存储3比特数据，进一步增加了存储容量，但牺牲了性能和耐久性。TLC的P/E周期通常限制在3000次左右。由于其较低的成本和适中的性能，TLC已成为消费电子产品中最具成本效益的存储解决方案。
- QLC（Quad-Level Cell）：每个单元存储4比特数据，实现了更高的存储容量，但导致了更低的性能和耐久性，其P/E周期通常仅为1000次。尽管如此，QLC的价格优势使其成为大容量消费级SSD的一个有吸引力的选择。
图三 存储单元对比图
图四 擦写寿命对比图
擦写次数
- NOR Flash闪存中每个块的擦写次数是十万次。
- NAND Flash闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次。
应用场景
- NOR Flash闪存通常用于嵌入式系统和单片机（消费电子、物联网、车载与工业领域）等。
- NAND Flash闪存用于数码相机、智能手机、平板电脑、储存卡、固态硬盘和计算机设备等。
性能特点
- 闪存将数据存储在由金属氧化物半导体是浮栅晶体管（FGT）定义的存储单元阵列中，该晶体管存储二进制数据 1 或 0。每个晶体管都有两个栅极，分别是控制栅极和浮动栅极。
- 与DRAM内存不同，NAND在断电后也能够储存数据。闪存断电时，浮栅晶体管 (FGT) 的金属氧化物半导体会向存储单元供电，保持数据的完整性。
- NAND单元阵列存储1到4位数据。
- NOR Flash存储容量较小(256MB以内)，读速度快,写速度慢等特点，适用于较小的程序和数据文件存储。
- NAND Flash存储器容量较大，读速度慢,写速度快等特点，适用于大量的数据文件存储。
EMMC
图五 eMMC
定义
eMMC（Embedded Multimedia Card，嵌入式多媒体卡）是由MMC协会订立的一种内嵌式存储器标准规格，全称为“embedded Multi Media Card”，即嵌入式的多媒体存储卡。它将存储芯片、控制器和接口集成在一起，形成了一种紧凑、高效的存储系统。
结构
eMMC主要由闪存芯片、闪存控制器和eMMC协议接口组成。其中，闪存芯片通常采用NAND Flash类型，用于存储数据；闪存控制器则负责管理和优化NAND Flash的操作，包括坏块管理、磨损均衡、ECC校验等功能；eMMC协议接口则实现了eMMC与主机之间的通信，确保数据的正确传输和存储。
应用场景
eMMC广泛应用于智能手机、平板电脑、物联网设备、数字摄像机等需要小型、集成存储解决方案的设备中。这些设备通常对存储空间的容量、读写速度和可靠性有较高要求。
性能特点
eMMC支持多种数据传输模式，包括HS200、HS400等高速模式，可以显著提高数据传输的速度和效率。然而，与UFS相比，eMMC在数据传输速度上有所逊色。
图六 发展趋势
图七 读写速度
UFS
图八 UFS
定义
UFS（Universal Flash Storage，通用闪存）是由JEDEC（Solid State Technology Association）制定和标准化的一种高性能存储解决方案，全称为“Universal Flash Storage”，即通用闪存存储。
结构
UFS采用了串行接口和分层架构，具有更高的数据传输效率、更低的功耗和更低的延迟。
应用场景
UFS广泛应用于移动设备、数码相机、虚拟现实设备、汽车电子等领域，旨在提供快速、可靠和高效的存储解决方案。
性能特点
UFS的数据传输速度远超eMMC。例如，UFS3.0规范的理论最大传输速度可达2.9GB/s，而eMMC 5.1的理论带宽仅为600MB/s。此外，UFS还支持全双工通信，即所有数据通道均可以同时执行读写操作，进一步提高了数据传输的效率和速度。
发展历史
- 2011：UFS 1.0标准诞生于2011年，然而UFS 1.0相较于eMMC并没有实质上的优势，并没有得到大规模的使用。
- 2013：2013年9月，JEDEC发布了UFS 2.0，2.0版本提供了更高的链路带宽以提高性能，扩展了安全功能并提供了其他省电功能。按照数据来看，UFS 2.0提供了HS-G2和HS-G3（可选）两个传输信道，理论带宽分别为5.8Gbps(725MB/s)和11.6Gbps(1450MB/s)，速度上大大超过了eMMC 5.0的400MB/s理论带宽。
- 2016：从2016年开始，随着UFS 2.0实现量产以及终端设备逐渐加入对UFS 2.0的支持，UFS 2.0闪存开始被主流旗舰手机所青睐。同年，JEDEC又发布了UFS 2.1的通用闪存标准。
- 2017：2017年UFS 2.0开始向UFS 2.1标准升级，其可选的HS-G3通道也逐渐成为了“必选”。作为UFS 2.1的升级版，UFS 2.2和UFS 2.1的区别在于增加了Write Booster(写入加速器)功能，比UFS 2.1提高了写入速度。写入速度的提高会带来更快的应用启动速度、缓存加载带来更好的浏览行为、更快的编码时间等诸多良好特性。
- 2018-2019：2018年1月30日，JEDEC发布了UFS标准3.0版，该版本是针对需要高性能、低功耗的移动应用和计算系统而开发的。此外，UFS 3.0还使用MIPI M-PHY v4.1和UniProSM v1.8，具有更高的每通道11.6 Gbit/s数据速率（1450 MB/s）。其中，UFS 3.0是第一个引入了MIPI M-PHY HS-Gear4标准的闪存存储，单通道带宽提升到11.6Gbps，由于UFS的最大优势就是双通道双向读写，所以接口带宽最高23.2Gbps，也就是2.9GB/s，这个数据也是HS-G3（UFS 2.1）性能的2倍。2019年下半年大多数的主流移动设备，也都选用了UFS 3.0。
- 2020-2021：2020年1月30日JEDEC发布了UFS 3.1标准，相比于之前的版本，UFS 3.1更新了三个部分，包括:
- “Write Booster”——SLC缓存，可提高写入速度。
- “DeepSleep”——增加了一种新的低功耗状态，降低UFS的工作压力和减少对稳压器的唤醒来达到降低功耗的目的，延长设备的电池续航时间。
- “Performance Throttling Notifications”——性能节流通知。当高温导致存储性能下降时，UFS设备可以通知主机，主机性能增强器功能是可选的。
- 2022：2022年8月18日，JEDEC（固态存储协会）正式公布了JESD220F标准文档，也就是UFS 4.0闪存正式版。新一代UFS 4.0在互连层上遵循MIPI联盟的通用规范，其中物理层基于M-PHY v5.0、传输层基于UniPro v2.0。接口带宽翻番到23.2Gbps，允许最大4.2GB/s的读写速度。UFS 4.0引入VCC=2.5V的新电压规范，比之前的3.3V效率更高，也就是更省电。UFS 4.0标准还在循环队列、数据安全保护、错误记录等多方面有了改进，延迟更低，且向下兼容UFS 3.0/3.1。
图九 读写速度
eMMC与UFS通信方式区别
图十 全双工/半双工
图十一 对比图
存储芯片分类
图十二 存储芯片分类