Flash閃速儲存器NAND和NOR比較 剖析

2023-02-08 23:45:01 字數 4750 閱讀 8577

一、閃速儲存器的特點

閃速儲存器(flashmemory)是一類非易失性儲存器nvm(non-volatilememory)即使在供電電源關閉後仍能保持片內資訊;而諸如dram、sram這類易失性儲存器,當供電電源關閉時片內資訊隨即丟失。flashmemory集其它類非易失性儲存器的特點:與eprom相比較,閃速儲存器具有明顯的優勢——在系統電可擦除和可重複程式設計,而不需要特殊的高電壓(某些第一代閃速儲存器也要求高電壓來完成擦除和/或程式設計操作);與eeprom相比較,閃速儲存器具有成本低、密度大的特點。

其獨特的效能使其廣泛地運用於各個領域,包括嵌入式系統,如pc及外設、電信交換機、蜂窩**、網路互聯裝置、儀器儀表和汽車器件,同時還包括新興的語音、影象、資料儲存類產品,如數字相機、數字錄音機和個人數字助理(pda)。

flash的技術特點如下:

(1)區塊儲存單元:在物理結構上分成若干個被稱為區塊的儲存單元,不同區塊之間相互獨立,每個區塊幾kb~幾十kb。

(2)先擦後寫:任何flash器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內進行,所以大多數情況下,在進行寫入操作之前必須先執行擦除。

(3)位交換:有時乙個位元位會發生反轉,就是位交換。

(4)區塊損壞:使用過程中,某些區塊可能會被損壞,區塊損壞後就不可修復。

二、閃速儲存器的技術分類

全球閃速儲存器的主要**商有amd、atmel、fujistu、hitachi、hyundai、intel、micron、mitsubishi、samsung、sst、sharp、toshiba,由於各自技術架構的不同,分為幾大陣營。

1 nor技術

nor技術(亦稱為linear技術)閃速儲存器是最早出現的flashmemory,目前仍是多數**商支援的技術架構。它源於傳統的eprom器件,與其它flashmemory技術相比,具有可靠性高、隨機讀取速度快的優勢,在擦除和程式設計操作較少而直接執行**的場合,尤其是純**儲存的應用中廣泛使用,如pc的bios韌體、移動**、硬碟驅動器的控制儲存器等。

nor技術flashmemory具有以下特點:(1)程式和資料可存放在同一晶元上,擁有獨立的資料匯流排和位址匯流排,能快速隨機讀取,允許系統直接從flash中讀取**執行,而無需先將****至ram中再執行;(2)可以單位元組或單字程式設計,但不能單位元組擦除,必須以塊為單位或對整片執行擦除操作,在對儲存器進行重新程式設計之前需要對塊或整片進行預程式設計和擦除操作。由於nor技術flashmemory的擦除和程式設計速度較慢,而塊尺寸又較大,因此擦除和程式設計操作所花費的時間很長,在純資料儲存和檔案儲存的應用中,nor技術顯得力不從心。

不過,仍有支持者在以寫入為主的應用,如compactflash卡中繼續看好這種技術。

2 nand技術

samsung、toshiba和fujistu支援nand技術flashmemory。這種結構的閃速儲存器適合於純資料儲存和檔案儲存,主要作為smartmedia卡、compactflash卡、pcmciaata卡、固態盤的儲存介質,並正成為閃速磁碟技術的核心。

nand技術flashmemory具有以下特點:(1)以頁為單位進行讀和程式設計操作,1頁為256或512b(位元組);以塊為單位進行擦除操作,1塊為4k、8k或16kb。具有快程式設計和快擦除的功能,其塊擦除時間是2ms;而nor技術的塊擦除時間達到幾百ms。

(2)資料、位址採用同一匯流排,實現序列讀取。隨機讀取速度慢且不能按位元組隨機程式設計。(3)晶元尺寸小,引腳少,是位成本(bitcost最低的固態儲存器,將很快突破每兆位元組1美元的**限制。

(4)晶元包含有失效塊,其數目最大可達到3~35塊(取決於儲存器密度)。失效塊不會影響有效塊的效能,但設計者需要將失效塊在位址對映表中遮蔽起來。samsung公司在2023年底開發出世界上第一顆1gbnand技術閃速儲存器。

據稱這種flashmemory可以儲存560張高解析度的**或32首cd質量的歌曲,將成為下一代可攜式資訊產品的理想媒介。samsung採用了許多dram的工藝技術,包括首次採用0.15μm的製造工藝來生產這顆flash。

已經批量生產的k9k1208uom採用0.18μm工藝,儲存容量為512mb。

3 and技術

and技術是hitachi公司的專利技術。hitachi和mitsubishi共同支援and技術的flashmemory。and技術與nand一樣採用「大多數完好的儲存器」概念,目前,在資料和文件儲存領域中是另一種佔重要地位的閃速儲存技術。

hitachi和mitsubishi公司採用0.18μm的製造工藝,並結合mlc技術,生產出晶元尺寸更小、儲存容量更大、功耗更低的512mb-andflashmemory,再利用雙密度封裝技術ddp(doubledensitypackagetechnology),將2片512mb晶元疊加在1片tsop48的封裝內,形成一片1gb晶元。hn29v51211t具有突出的低功耗特性,讀電流為2ma,待機電流僅為1μa,同時由於其內部存在與塊大小一致的內部ram緩衝區,使得and技術不像其他採用mlc的閃速儲存器技術那樣寫入效能嚴重下降。

hitachi公司用該晶元製造128mb的**********卡和2mb的pc-ata卡,用於智慧型**、個人數字助理、掌上電腦、數字相機、可攜式攝像機、可攜式****機等。

4 由eeprom派生的閃速儲存器

eeprom具有很高的靈活性,可以單位元組讀寫(不需要擦除,可直接改寫資料),但儲存密度小,單位成本高。部分製造商生產出另一類以eeprom做閃速儲存陣列的flashmemory,如atmel、sst的小扇區結構閃速儲存器(smallsectorflashmemory)和atmel的海量儲存器(data-flashmemory)。這類器件具有eeprom與nor技術flashmemory二者折衷的效能特點:

(1)讀寫的靈活性遜於eeprom,不能直接改寫資料。在程式設計之前需要先進行頁擦除,但與nor技術flashmemory的塊結構相比其頁尺寸小,具有快速隨機讀取和快程式設計、快擦除的特點。(2)與eeprom比較,具有明顯的成本優勢。

(3)儲存密度比eeprom大,但比nor技術flashmemory小,如smallsectorflashmemory的儲存密度可達到4mb,而32mb的dataflashmemory晶元有試用樣品提供。正因為這類器件在效能上的靈活性和成本上的優勢,使其在如今閃速儲存器市場上仍占有一席之地。

三、發展趨勢

儲存器的發展都具有更大、更小、更低的趨勢,這在閃速儲存器行業表現得尤為淋漓盡致。隨著半導體製造工藝的發展,主流閃速儲存器廠家採用0.18μm,甚至0.

15μm的製造工藝。借助於先進工藝的優勢,flashmemory的容量可以更大:nor技術將出現256mb的器件,nand和and技術已經有1gb的器件;同時晶元的封裝尺寸更小:

從最初dip封裝,到psop、ssop、tsop封裝,再到bga封裝,flashmemory已經變得非常纖細小巧;先進的工藝技術也決定了儲存器的低電壓的特性,從最初12v的程式設計電壓,一步步下降到5v、3.3v、2 7v、1.8v單電壓供電。

這符合國際上低功耗的潮流,更促進了可攜式產品的發展。

另一方面,新技術、新工藝也推動flashmemory的位成本大幅度下降:採用nor技術的intel公司的28f128j3**為25美元,nand技術和and技術的flashmemory將突破1mb1美元的價位,使其具有了取代傳統磁碟儲存器的潛質。

世界閃速儲存器市場發展十分迅速,其規模接近dram市場的1/4,與dram和sram一起成為儲存器市場的三大產品。flashmemory的迅猛發展歸因於資金和技術的投入,高效能低成本的新產品不斷湧現,刺激了flashmemory更廣泛的應用,推動了行業的向前發展。

nor flash和nand flash特點

● nor的讀速度比nand稍快一些。

● nand的寫入速度比nor快很多。

● nand的4ms擦除速度遠比nor的5s快。

● 大多數寫入操作需要先進行擦除操作。

● nand的擦除單元更小,相應的擦除電路更少。

介面差別

nor flash帶有sram介面,有足夠的位址引腳來定址,可以很容易地訪問其內部的每乙個位元組。

nand器件使用複雜的i/o口來序列地訪問資料,各個產品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、位址和資料資訊。

nand讀和寫操作採用節的塊,這一點有點像硬碟管理此類操作,很自然地,基於nand的儲存器就可以取代硬碟或其他塊裝置。

容量和成本

nand flash的單元尺寸幾乎是nor器件的一半,由於生產過程更為簡單,nand結構可以在給定的模具尺寸內提供更高的容量,也就相應地降低了**。

nor flash佔據了容量為1~16mb快閃儲存器市場的大部分,而nand flash只是用在8~128mb的產品當中,這也說明nor主要應用在**儲存介質中,nand適合於資料儲存,nand在compactflash、 secure digital、pc cards和mmc儲存卡市場上所佔份額最大。

軟體支援

當討論軟體支援的時候,應該區別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用於磁碟**和快閃儲存器管理演算法的軟體,包括效能優化。

在nor器件上執行**不需要任何的軟體支援,在nand器件上進行同樣操作時,通常需要驅動程式,也就是記憶體技術驅動程式(mtd,nand和nor器件在進行寫入和擦除操作時都需要mtd。

壽命(耐用性

在nand快閃儲存器中每個塊的最大擦寫次數是一百萬次,而nor的擦寫次數是十萬次。nand儲存器除了具有10比1的塊擦除週期優勢,典型的nand塊尺寸要比nor器件小8倍,每個nand儲存器塊在給定的時間內的刪除次數要少一些。

易於使用

可以非常直接地使用基於nor的快閃儲存器,可以像其他儲存器那樣連線,並可以在上面直接執行**。

由於需要i/o介面,nand要複雜得多。各種nand器件的訪問方法因廠家而異。

在使用nand器件時,必須先寫入驅動程式,才能繼續執行其他操作。向nand器件寫入資訊需要相當的技巧,因為設計師絕不能向壞塊寫入,這就意味著在nand器件上自始至終都必須進行虛擬對映。

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