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专栏 《深入理解NAND Flash》

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前言
日本东芝最初发明半导体存储芯片时，认为它就像拍照时的闪光一样迅速，因此命名为闪存(Flash)。如今，我们使用的最常见的形式是NOR闪存和NAND闪存。根据不同的场景，我们使用不同的存储器。 NOR闪存通常用于嵌入式系统，而手机内部存储、PC硬盘和USB快闪等则使用NAND闪存。这些设备中存储的数据通常被读取的次数比写入的次数多，但写入的频率仍然相对较高，因此NAND闪存是更常见的选择。

1 Flash 物理结构

1.1 Flash 是什么？

Flash是一种非易失性存储设备。与易失性存储设备相对应，Flash Memory所存储的数据即使断电也不会丢失。除了Flash，其他常见的非易失性存储设备包括磁盘和光盘等。易失性存储设备就像其名字一样，一旦断电数据就会丢失。常见的易失性存储设备包括内存条，如DDR5等。

最小存储单元
闪存的最小存储单元是“晶体管-栅极-漏极”（Transistor-Gate-Drain，TGD）结构。在这种结构中，栅极上的电子可以控制漏极和源极之间的电荷通量，从而实现存储和读取数据。​​

Flash存储器的数据是以电荷的形式存储在内部单元中的。电荷的数量取决于控制栅极施加的电压，控制栅极决定是否充电或放电。数据的表示方式则是根据存储单元中电荷的电压是否超过阈值Vth而确定的。

1.2 NAND Flash的结构

如上图所示，这是一个8Gb 50nm的SLC颗粒存储单元物理结构。

位线和字线
闪存需要使用位线（Bitline）和字线 (Wordline) 组成的矩阵。位线用于选择存储单元的行，而字线用于选择存储单元的列。利用这种方式，我们可以在矩阵中选择特定的存储单元，并对其进行读写操作。

1.3 闪存芯片组成结构

下图是个8Gb 50nm的SLC闪存芯片组成结构。

每个page有33,792个单元，每个单元代表1bit(SLC)，所以每个page就是4096Byte + 128Byte（SA）。
每个Block有64个page组成，所以每个Block容量为262,114Byte + 8192Byte （SA）

page是NAND Flash上最小的读/写单位（一个page上的单元共享一根字符线Word line），块是最小的擦除单位（不同厂牌不同型号颗粒有不同的page和block大小）。

4KB的页大小，256KB的块大小。图中4096字节用于存储数据，另外128字节用来做管理和ECC用。

2 NAND Flash 的使用挑战

挑战1：需要先擦除才能写入。
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擦除操作就是让块中所有的bit变为1，从一个干净的“已擦除”状态的block重新开始。当里面的页变为0后，只有擦除整个块才能让这个页变为1。为了尽量减少擦除的次数，成熟的块管理技术必不可少。

挑战2：读/写干扰。

NAND Flash的电荷非常不稳定，在读/写中很容易对邻近的单元造成干扰，干扰后会让附近单元的电荷脱离实际的逻辑数值，造成bit出错，因为阀值接近的关系，MLC相对SLC来说更容易受到干扰。

读取干扰

写入干扰

读取干扰指的是在读取某个page时，邻近的bit会受到升高电压的干扰，造成bit出错。写入干扰指的是，某个page在写入时，邻近bit的电压也被升高了，造成bit出错。相对写入干扰来说，读取干扰明显小的多。在读/写干扰中，可能造成某些bit被改变，结果造成数据出错。所以需要在返回数据给主机前，用ECC/EDC算法来纠正这些bit的错误。随着闪存工艺的提升，同样大小的晶片上被封装入更多的单元，造成干扰越来越厉害，所以需要更强大的ECC/EDC来纠正bit。

挑战3：数据保存期限

数据保存期指的是当完全断电后，数据能在NAND Flash里保存多久。NAND单元必须保证一个稳定的电压水平，来保证数据是有效的。典型的SLC一般为10年。电荷从悬浮门里漏出，我们叫做电子迁移，当随着时间的流逝，电荷泄漏到一定程度，改变了NAND单元里悬浮门的电压对应的逻辑值，这样就造成bit出错。
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数据保存期会随着擦写次数的增加而明显降低，而且从上面的原理中看出，MLC的数据保存期明显会比SLC少。（更容易被干扰)

挑战4：坏块

NAND Flash里有2种坏块类型：

1，出厂坏块：由于为了保证产量和控制成本,出厂的NAND Flash某些就会有坏块。厂商保证SLC出厂坏块低于2%，MLC出厂坏块低于5%。
2，积累坏块：在多次的写入/擦除循环中，某些NAND单元的电荷电压被永久性的改变了，那就意味着包含这个NAND单元不可用了。

所以固态硬盘需要有坏块管理才能使用，主控制器用坏块表来映射出厂坏块和积累坏块到坏块区内，出厂时，颗粒的第一个块Block 0厂商会保证是可用的（至少ECC后可用）。

挑战5：擦写次数限制

造成NAND Flash有擦写次数限制的主要有2个因素：

1，电荷被困在氧化层，不能进入悬浮门。
2，氧化层结构被破坏。
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如图，一旦氧化层损坏到达一定程度，造成电荷越来越难在P-substrate和悬浮门之间交流。电荷被困在氧化层造成悬浮门中的电压到不了阀值，所以说这个NAND单元就要被放入坏块区了。

当前主流SLC的P/E为10万次，50nm MLC为1万次，3xnm的MLC为5000次。到了这个数字并不意味着就不能用了，这个只是代表平均寿命，也就是说到了这个次数后，坏块就会开始大量增加了。

转载

https://blog.csdn.net/qq_41371349/article/details/104927524

NANDFlash原理_gongjiwei的博客-CSDN博客

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参考