閃存物理結(jié)構(gòu)
閃存器件原理
前文已經(jīng)講過了固態(tài)硬盤的發(fā)展史,曾經(jīng)的固態(tài)硬盤有過RAM等介質(zhì),但是目前絕大多數(shù)固態(tài)硬盤都是以閃存芯片為存儲介質(zhì)的。DRAM固態(tài)硬盤我們見得少,主要應(yīng)用于特殊的場合。1978年誕生的世界上第一塊固態(tài)硬盤就是基于DRAM的。但由于DRAM掉電易失性,當(dāng)然還有成本因素,現(xiàn)在的固態(tài)硬盤一般都不用DRAM,而是使用閃存作為存儲介質(zhì),并且是NAND 閃存。固態(tài)硬盤的工作原理很多也都是基于閃存特性的。比如,閃存在寫之前必須先擦除,不能覆蓋寫,于是固態(tài)硬盤才需要垃圾回收(Garbage Collection,或者叫 Recycle);閃存每個塊(Block)擦寫次數(shù)達(dá)到一定值,這個塊要么變成壞塊,要么存儲在上面的數(shù)據(jù)不可靠,所以固態(tài)硬盤固件必須做磨損平衡,讓數(shù)據(jù)平均寫在所有塊上,而不是盯著幾個塊拼命寫(不然很快固態(tài)硬盤就報廢了)。還有類似很多例子,固態(tài)硬盤內(nèi)部很多算法都是在為閃存服務(wù)的。所以,欲攻固態(tài)硬盤,閃存首當(dāng)其沖。
閃存是一種非易失性存儲器,也就是說,掉電了,數(shù)據(jù)也不會丟失。閃存基本存儲單元 (Cell) 是一種類NMOS的雙層浮柵 (Floating Gate) MOS管組成,如圖3-1所示:
圖3-1 浮柵晶體管結(jié)構(gòu)
在源極(Source)和漏極(Drain)之間電流單向傳導(dǎo)的半導(dǎo)體上形成貯存電子的浮柵,浮柵上下被絕緣層所包圍,存儲在里面的電子不會因為掉電而消失,所以閃存是非易失存儲器。
寫操作是在控制極加正電壓,使電子通過絕緣層進(jìn)入浮柵極。擦除操作正好相反,是在襯底加正電壓,把電子從浮柵極中吸出來,如圖3-2所示:
圖3-2 左:寫原理;右:擦除原理
在2014年的閃存峰會上,浮柵晶體管的發(fā)明人施敏(Dr.Simon Sze)被授予終身成就獎,以表彰他發(fā)明了浮柵極晶體管。據(jù)說,浮柵極晶體管的發(fā)明靈感是這樣來的:有天,施敏和搭檔Dawon Kahng在公司的食堂一起吃午餐,飯后甜點(diǎn)是奶酪蛋糕。看著夾心蛋糕,他們在想,如果在MOS場效應(yīng)管中間加個東西,會怎樣呢?于是,浮柵晶體管橫空出世。截至2014年某個時間點(diǎn),據(jù)統(tǒng)計,全世界生產(chǎn)的浮柵晶體管數(shù)目達(dá)1 074 344 929 692 350 000 000
這個數(shù)字還在繼續(xù)增長著。阿呆覺得終身成就獎不夠,施敏應(yīng)該獲得諾貝爾獎,畢竟機(jī)械硬盤機(jī)理——巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)人已經(jīng)獲得了諾貝爾獎。
獲獎后,施敏在慶功宴上,為自己點(diǎn)了一份奶酪蛋糕。
SLC,MLC,TLC
一個存儲單元存儲1比特數(shù)據(jù)的閃存,我們叫它為SLC (Single Level Cell),2比特為MLC (Multiple Level Cell) ,3比特為TLC (Triple Level Cell)。現(xiàn)在已經(jīng)有廠商在研發(fā)QLC,即一個存儲單元存儲4比特數(shù)據(jù),本書不做介紹。
圖3-3 SLC,MLC,TLC原理
對SLC來說,一個存儲單元存儲兩種狀態(tài),浮柵極里面的電子多于某個參考值的時候,我們把它采樣為0,否則,就判為1。
圖3-4是閃存芯片里面存儲單元的閾值電壓分布函數(shù),橫軸是閾值電壓,縱軸是存儲單元數(shù)量。其實(shí)在0或1的時候,并非所有的存儲單元都是同樣的閾值電壓,而是以這個電壓為中心的一個分布。讀的時候采樣電壓值,落在1范圍里面,就認(rèn)為是1;落在0范圍里面,就認(rèn)為是是0。
擦除之后,閃存讀出來的值為1,充過電之后,就是0。所以,如果需要寫1,就啥都不用干,寫0,就需要充電到0。
圖1-4 SLC電壓分布(來源:Inside NAND Flash Memory)
對MLC來說,如果一個存儲單元存儲4個狀態(tài),那么它只能存儲2比特的數(shù)據(jù)。通俗來說就是把浮柵極里面的電子個數(shù)進(jìn)行一個劃分,比如低于10個電子,判為0;11-20個電子,判為1;21-30,判為2;多于30個電子,判為3。
圖1-5 MLC電壓分布(來源:Inside NAND Flash Memory)
依次類推TLC,若是一個存儲單元有8個狀態(tài),那么它可以存儲3比特的數(shù)據(jù),它在MLC的基礎(chǔ)上對浮柵極里面的電子數(shù)又進(jìn)一步進(jìn)行了劃分。
圖1-6 TLC電壓分布(來源:Inside NAND Flash Memory)
同樣面積的一個存儲單元,SLC,MLC和TLC,分別可以存儲1,2,3 比特的數(shù)據(jù),所以在同樣面積的DIE上,閃存容量依次變大。
但同時,一個存儲單元電子劃分的越多,那么在寫入的時候,控制進(jìn)入浮柵極的電子個數(shù)就要越精細(xì),所以寫耗費(fèi)的時間就越長;同樣的,讀的時候,需要嘗試用不同的參考電壓去讀取,一定程度上加長讀取時間。所以我們會看到在性能上,TLC不如MLC,MLC不如SLC。
下表所示是SLC,MLC和TLC在性能和壽命(Endurance)上的一個直觀對比
(不同制程和不同廠家的閃存,參數(shù)不盡相同,數(shù)據(jù)僅供參考):
3D TLC逐漸成為主流。同時,QLC也馬上要量產(chǎn)了,每個存儲單元存儲4比特數(shù)據(jù),比TLC還要慢,還要不可靠。之前懷疑TLC可靠性的人們,怎么看QLC?
-
閃存
+關(guān)注
關(guān)注
16文章
1836瀏覽量
115756 -
DRAM
+關(guān)注
關(guān)注
40文章
2343瀏覽量
185226 -
固態(tài)硬盤
+關(guān)注
關(guān)注
12文章
1501瀏覽量
58322
原文標(biāo)題:閃存物理結(jié)構(gòu)
文章出處:【微信號:SSDFans,微信公眾號:SSDFans】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。
發(fā)布評論請先 登錄




閃存技術(shù)基礎(chǔ)-1-4 #存儲技術(shù)





Flash閃存技術(shù)是什么?創(chuàng)世SD NAND Flash又有何獨(dú)特之處?#嵌入式開發(fā) #存儲芯片 #閃存
NOR閃存/NAND閃存是什么意思
PIC18FXXJ閃存器件與PIC18閃存器件存在的幾個主要差異詳細(xì)概述

解析NAND閃存和NOR閃存

QLC閃存、TLC閃存是什么?QLC閃存、TLC閃存有何區(qū)別?

如何寫入tinyAVR系列器件中的閃存和EEPROM

評論