NAND Flash技术详解：从基本概念到高级应用

NAND Flash技术详解：从基本概念到高级应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/sorry1996/article/details/139012126

NAND Flash是一种重要的非易失性存储技术，在各种电子设备中广泛应用。本文将从基本概念、组成单元及读写原理、结构特点、分类等多个维度，深入解析NAND Flash的核心技术原理。

一、NAND Flash综述

1.1 NAND基本概念

NAND Flash是一种非易失性存储介质。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技术。

• NAND Flash中的NAND的意思是Not AND（与非门），意思就是该Flash的基础单元就是与非门
• NOR Flash中的NOR的意思是Not OR（或非门），意思就是该Flash的基础单元就是或非门

1.2 NAND组成单元及读写原理

NAND的基本存储单元（Cell）是一种类NMOS的双层浮栅MOS管

• 如何写入和读取信息？

在栅极和衬底之间加入一个高电压，P区里面的部分自由电子会被吸引到浮栅层，这样即使断电之后，自由电子也仍会存储在浮栅层，因为浮栅层上下都是二氧化硅绝缘层，自由电子无法逃出去，一位信息就是这样被存储进去，即写0。

将栅极和衬底之间的电压反向，此时禁锢在浮栅层的电子就会被吸引出去，此时数据就会被擦除，即写1。

读0：因为大部分电子已经被吸到浮栅导以，当控制栅加10V电压时，只有部分电子聚集到两个N型半导体之间，这些电子不够形成一个电子通道，导致源极和漏极之间无法导通，此时表示读到0。

读1：擦除之后读，因为浮栅层的电子全部释放回了P型半导体中，这时在控制栅加10V电压，P型半导体中的电子会聚集到N型半导体之间形成电子通道，源极和漏极之间接上电源，会导通，此时表示读到1。

• 二氧化硅绝缘层也是绝缘的，自由电子如何通过？

隧道效应：给二氧化硅绝缘层加入足够大的电压，电子就会通过该绝缘层。

1.3 NAND结构及特点

• 闪存快内部结构

Word Line，WL，字线
Bit Line，BL，位线

1个字线包含若干页，对于SLC来说，1个字线包含1个页，对于MLC来说，1个字线包含2个页，
对于TLC，1个字线包含3个页。

假设一个SCL闪存块由1024个页，则m=1024，即有1024条字线。
一个闪存页有多少位，就有多少条位线，比如对16KB的闪存页，n=16x1024x8。
一个闪存块中的所有存储单元都是共用一个衬底，因此擦除操作的基本单元是块

• 整块NAND内部结构

一个闪存芯片有若干个LUN，每个LUN有若干个Plane，每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应着一个Wordline，Wordline由成千上万个存储单元构成。

一个LUN可以分为若干个Plane，每个Plane有独立的Cache Register和DataRegister，写某个Page的时候，先把数据从主控传输到该Page所对应Plane的Cache Register中，再把整个Cache Register中的数据写到闪存阵列；读则相反，即闪存介质–>Cache Register→主控。

Page、Block、Plane、LUN这些大小没有统一的要求，由各个厂商按照相应的工艺和需求决定。

• 存储单元写入过程

对于单个存储单元，写入就是在控制级加高电压，在衬底加0V电压，建立强电场把电子从衬底注入浮栅极。闪存写入的最小单元是闪存页。

假设要写某个闪存页在字线WL1上，在与要编程的闪存页对应的控制级加上一个高电压Vprog，在其他不编程字线的控制极加个稍微大点的电压Vpass，从而保证不管当前存储单元处于什么状态，这些晶体管都是导通的。

因为在写入之前已经处于擦除状态，即所有存储单元都处于‘1’状态，所以无需注入电子，但是这些存储单元的控制极被统一加了一个高电压Vprog，需要抑制这些存储单元被注入电子，所以需要在对应的位线上加一个高电压Vinh，
这样就可将这些存储单元在控制级和衬底间建立的电场削弱，从而使电子不会进入浮栅极。

在对闪存页写入的时候，存在写干扰和抑制编程干扰问题。

写干扰是对写入所在字线上无需写入的存储单元的干扰。
所谓的干扰，就是不希望注入电子的存储单元被意外注入电子。

写干扰：当对WL1上的Page写入时，在控制极施加一个较大的电压，在其他非写入单元的位线上施加了一个电压，这会导致同一字线上不希望编程的存储单元注入额外的电子。

抑制编程干扰：由于不需要写入的Page控制极页需要加一个电压，这会对对需要编程的存储单元所在位线上的存储单元的干扰。

• 存储单元读取过程

假设要读的页在WL1上，首先在不读取的其他字线控制极施加Vpass电压，确保这些晶体管是导通的，绕后给每个位线充电，

接着根据所读取闪存页的类型（LP、MP、UP），在WL1上施加不同的读参考电压，如果某个位线放电了，说明该位线所读的那个存储单元是导通的，

如果位线保持之前的充电状态，说明对应的存储单元是截止的，通过一次或者多次施加不同的参考电压，最终能确定所有晶体管所处的状态，从而获取存储在里面的数据。

读干扰：在其他字线上时间Vpass电压，这会导致这些晶体管遭受轻微的写入，随着闪存快读的次数越来越多，越来越多的电子进入浮栅层，最终可能导致位翻转。

读干扰是由于有额外的注入电子加大了存储单元的阈值电压，导致数据读取错误。

NAND Flash的特点：

• 读写的操作对象是Page，擦除的操作对象是Block
• 不能覆盖写，写入之前要先进行擦除
• 寿命有限，不能一直写入数据。（Program Erase Cycle，PEC，衡量闪存寿命）
• 读写干扰、抑制编程
• 数据保持性、可靠性

与性能相关的特性:

1.4 NAND分类

根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为:

• SLC（Single-Level Cell）即1 bit per cell，只存在0和1两个充电值，结构简单但是执行效率高。SLC闪存的优点是传输速度更快，功率消耗更低和存储单元的寿命更长。然而，由于每个存储单元包含的信息较少，成本高，约10万次擦写寿命。
• MLC（Multi-Level Cell）即2 bit per cell，有00,01,10,11四个充电值，因此需要比SLC更多的访问时间，每个Cell存放比SLC多一倍的数据，但与SLC相比其传输速度较慢，功率消耗较高和存储单元的寿命较低，一万次以内擦写寿命
• TLC（Triple-Level Cell)即3 bit per cell，每个单元可以存放比MLC多1/2的数据，共八个充电值，所需访问时间更长，因此传输速度更慢，TLC优势价格便宜
• QLC（Quad-Level Cell），即4 bit per cell，每个单元可以存放4个数据，一共16个充电值，成本更低，容量更大，但是擦除的次数在几百次左右。英特尔公司将在2020年推出128层的QLC NAND Flash

根据每个存储单元内存储比特个数的不同，分为:

• 2D工艺：60nm、40nm、20nm、15nm
• 3D工艺：Floating Gate、Charge Trap

二、其他概念

• NAND Flash中的坏块

Nand Flash中，一个块中含有1个或多个位是坏的，就称为其为坏块Bad Block。坏块的稳定性是无法保证的。
也就是说，不能保证你写入的数据是对的。或者写入对了。读出来也不一定对的。与此相应的正常的块。肯定是写入读出都是正常的。

坏块有两种：

（1）出厂时就有存在的坏块：
一种是出厂的时候。也就是，你买到的新的，还没用过的Nand Flash，就能够包括了坏块。此类出厂时就有的坏块，被称作factory (masked) bad block 或initial bad/invalid block，在出厂之前，就会做相应的标记，标为坏块。

（2）使用过程中产生的坏块：
第二类叫做在使用过程中产生的，因为使用过程时间长了，在擦块除的时候，出错了，说明此块坏了，也要在程序执行过程中，发现。而且标记成坏块的。详细标记的位置。和上面一样。这类块叫做worn-out bad block。即用坏了的块。

• FTL

FTL是什么？
FTL是平台文件系统到NAND之间的中间层，因为NAND是页读取，块写入(如果写入区非FF)，块的编程和擦除过程中，还会发生坏块，块本身的擦除次数还有寿命限制，所以，文件系统读写NAND时候，FTL在中间做地址转换，坏块管理等转换

完整的FTL功能通常包括如下：

1 - 坏块管理
nand block都有一定擦写次数，到达一定次数后，读写会不稳定，当发现写入或擦除失败时，应该标记为坏块，不再使用这些块

2 - 擦写平衡
原因同上，不能一直在固定块擦除写入，例如逻辑sector0数据，写入block0 page0，下一次sector再写入时，不是擦除block0后重新写入，而是在block2 page0写入，block0标记为垃圾块，block2标记为新的逻辑块，当找不到空闲块时，进行垃圾块擦除回收

3-掉电恢复
4 - 冷热数据
有些数据是频繁读取和写入的，例如系统LOG，称为热数据，有些数据是写入之后，很少变动的，例如UI图片等，称为冷数据，为了避免频繁擦写寻找空闲块，应该尽可能把热数据和冷数据，分别存在不同区块

• ECC

ECC的全称是Error Checking and Correction, NAND Flash出错的时候一般不会造成整个Block或是Page不能读取或是全部出错，而是整个Page（例如512Bytes）中只有一个或几个bit出 错。一般使用一种比较专用的校验——ECC。

ECC能纠正单比特错误和检测双比特错误，而且计算速度很快，但对1比特以上的错误无法纠正，对2比特以上的 错误不保证能检测。

ECC一般每256字节原始数据生成3字节ECC校验数据，这三字节共24比特分成两部分：6比特的列校验和16比特的行校验，多余的两个比特置1。（512生成两组ECC，共6字节）

当往NAND Flash的page中写入数据的时候，每256字节我们生成一个ECC校验和，称之为原ECC校验和，保存到PAGE的OOB （out- of-band）数据区中。其位置就是eccpos[]。校
验的时候，根据上述ECC生成原理不难推断：将从OOB区中读出的原ECC校验和新ECC校验 和按位异或，若结果为0，则表示不存在错（或是出现了ECC无法检测的错误）；
若3个字节异或结果中存在11个比特位为1，表示存在一个比特错误，且可纠 正；若3个字节异或结果中只存在1个比特位为1，表示OOB区出错；其他情况均表示出现了无法纠正的错误。

• OOB

OOB(out of band),即通常所说的spare area区，nand flash中每个page后都有一个oob区域，用于存放硬件ecc校验码、坏块标记、和文件系统的组织信息，主要用于硬件纠错和坏块处理。

一般page大小为512字节的nand 每页分配16字节的oob；如果为2k的page，则每个page分配64字节的oob.

oob区中用1或2个字节来标志一个block是否为坏块，如果这1或2个字节的内容是0xff，就说明这个block是好块，否则为坏块。对于small page（每页512字节）的芯片，坏块信息存储在每个block的第一个page的oob的第6个字节中，
而big page（每页2k个字节）的芯片，坏块信息存储在每个block的第一个page的oob的第1和第2个字节中。

一般在uboo中识别坏块是通过oob区直接判断的，进入kernel会创建坏块表，相当于把各个block的第一page的oob区的坏块标记统一整理到一个表格里存放，下次直接查这个表格就可以知道具体的坏块信息，这个表格就是bbt。

注：oob是每个页都有的数据，而bbt是一个flash才有一个。

• RAID

RAID (Redundant Arrays of Independent Disks,独立磁盘冗余阵列)，固态硬盘内部本质就是一个闪存阵列，所以可以借鉴磁盘阵列技术来确保数据的完整性。

固态硬盘的RAID一般采用RAID 5，如果某个闪存页的数据翻转的过多，运用各种恢复手段，ECC还是纠正不过来，就会用到RAID。

例如某个SSD的闪存阵列由4个Die构成，写入用户数据A~G的时候，通过异或操作生产校验数据(Parity):

Parity = A + B + C + D + E + F + G ('+‘表示异或)，把教研数据存储在闪存上，A~G和Parity组成一个RAID条带。

假设后续读取C失败，可以通过读取该RAID条带上的其他数据来恢复C

C = Parity + A + B + D + E + F + G (’+'表示异或)

本文原文来自CSDN