芯科普 | 解析Nand Flash 、Nor Flash 原理及应用

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芯科普 | 解析Nand Flash 、Nor Flash 原理及应用
2022年01月14日

随着大数据、人工智能、物联网等新兴技术的发展,闪存技术相对于许多计算机技术而言发展得更迅猛。就Flash闪存而言,按功能特性分为两种:一种是Nor Flash,通常容量较小,主要用于存储代码;另一种为Nand Flash,容量较大,主要用于存储资料,如数码相机中所用的记忆卡。NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。

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(1)Nand Flash存储器简介

1989年,东芝公司发表了Nand Flash结构,强调降低每比特的成本,更高的性能,并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。Nand Flash没有采取内存的随机读取技术,它的读取是以一次读取一块的形式来进行的,通常是一次读取512个字节,同时内部采用非线性宏单元模式,为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案。

Nand flash存储器具有容量较大,改写速度快等优点,适用于大量数据的存储,因而应用越来越广泛,如嵌入式产品中包括手机、数码相机、U盘等。

(2)Nor Flash存储器简介

Intel于1988年首先开发出Nor Flash技术,Nor Flash 的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place),其读取和我们常见的 SDRAM 的随机读取形式类似,用户可以直接运行装载在 Nor Flash 里面的代码,这样可以减少 SRAM 的容量从而节约成本。因为其读取速度快,不易出错,多用来存储程序、操作系统等重要信息。

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(1)启动方式不同

 开发板上电启动时,Nor Flash在启动时直接从0地址开始运行,CPU从Nor Flash的0地址开始执行程序。

Nand Flash会先把Nand Flash中前4K内容自动拷贝到片内内存(SRAM)中去,然后CPU从SRAM的0地址开始执行程序。用户不能直接运行Nand Flash上的代码,因此多数使用Nand Flash的开发板除了使用Nand Flash以外,还用上了一块小的Nor Flash来运行启动代码。

(2)接口差别

Nand Flash是I/O串行接口,通过8个引脚用来传送控制、地址和数据信息,各个产品或厂商的方法可能各不相同。读和写操作采用512字节的块,这一点有点像硬盘管理此类操作,所以基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。

Nor Flash带有SRAM接口,可以轻松地挂接在CPU的地址、数据总线上,对CPU的接口要求低;有足够的地址引脚来寻址,可以很容易地存取其内部的每一个字节。但不同容量的NorFlash的地址线需求不一样,Nor Flash芯片容量升级不便。

(3)Nand Flash和Nor Flash的性能比较

Nand Flash和Nor Flash均为非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数写入操作需要先进行擦除操作。但在性能上有以下差别:

1、读取数据时,Nand Flash 首先需要进行多次地址寻址,然后才能访问数据;而 Nor Flash是直接进行数据读取访问,因此NOR的读速度比NAND稍快一些。

2、NAND器件执行擦除操作简单,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。同时,NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少,因此NAND的擦除速度远比NOR的快很多。

3、NAND写入单元小,写入速度比NOR快很多。

(4)容量和成本对比

Nand Flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,因此相同容量下,NAND器件的成本比NOR低。

(5)能耗不同

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是,Nor Flash的待机电流远低于Nand Flash。两者的瞬时有功功率相当,因此,有效功率由存储器活动的持续时间决定。Nor Flash在随机读取方面具有优势,而Nand Flash在擦除、写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

(6)Nand Flash和Nor Flash的寿命(耐用性)

在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些,nand器件的耐用性强于nor。

(7)可靠性对比

在Flash的位翻转(一个bit位发生翻转)现象上,NAND的出现几率要比Nor Flash大得多。这个问题在Flash存储关键文件时是致命的,所以在使用Nand Flash时建议同时使用EDC/ECC等校验算法,提高可靠性。

NAND器件中的坏块是随机分布的,需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理,将导致高故障率。而坏块问题在Nor Flash上是不存在的。

(8)软件支持

当讨论软件支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件,包括性能优化。

在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程序,也就是内存技术驱动程序(MTD),NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些,许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件,这其中包括M-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。

其他作用

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

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从应用形态上看,Nand Flash的具体产品包括USB(U盘)、闪存卡、SSD(固态硬盘),以及嵌入式存储(eMMC、eMCP、UFS)等。USB属于常见的移动存储设备,闪存卡则用于常见电子设备的外设存储,如相机、行车记录仪、玩具等。

SSD即常见的固态硬盘,一般应用于个人计算机、服务器等领域。SSD作为新兴的大容量存储设备,具有磁盘(传统HDD硬盘)所不具备的优点,前些年由于SSD高昂的价格,只攻占了磁盘的少部分领域。由于近年SSD价格下降,以及数据中心的迅速扩张,数据存储的需求也在不断上升,因此由SSD驱动的Nand Flash的需求增速也较为迅速。


嵌入式存储是Nand Flash应用的另一大领域。其特征是将Nand Flash存储芯片与控制芯片封装在一起,控制芯片采用特定的通讯协议,可提升存储数据通讯的速度与稳定性。

嵌入式Nand Flash存储广泛应用于手机、平板电脑、游戏机、车载电子等需求高容量存储的新兴领域,该手机主板采用的是eMMC。与计算机相同,手机同样需要处理器、DRAM和Nand Flash,区别在于其产品的最终形态不同,计算机内部的形态为CPU+内存条+硬盘,而手机则采用eMMC或eMCP两种形式:“处理器+eMCP”或“集成了LPDDR的处理器+eMMC”。

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嵌入式存储是Nor Flash的主要应用领域,基于其读写速度快、可靠性高、成本高、可芯片内执行程序的特点,多用来存储少量代码、程序、操作系统等重要信息。

近几年,Nor Flash市场飞速增长,该增速主要得益于汽车电子和物联网、5G和智能手机及其周边(如TWS耳机和可穿戴式设备)等需求的推动。

随着智能产品需要实现的功能越来越多,为了存储更多固件和代码程序,则选择通过外扩一颗甚至更多的Nor Flash来实现。

 

应用场景有:

(1)智能手机及周边设备:OLED屏是有机屏幕,它内部需要一个补偿算法,该算法存储在Flash里面;另外还有TDDI屏以及屏下指纹的模组,它们都需要一个Flash来存储驱动和算法。

(2)物联网:伴随着5G基站的高密度布局,万物互联时代的数据流源源不断,人与人之间、人与设备之间、人与云端服务器之间、设备与设备之间的各种数据交互都会产生海量的IoT节点,且这些节点对应的设备都会用到Nor Flash。比如,当前最流行的TWS耳机需要内置两颗Nor Flash。

(3)车载:小到车载摄像头,大到高级驾驶辅助系统(ADAS),车用子系统由于程序代码量较大则会采用外部Nor Flash芯片,汽车仪表盘是通过Nor Flash来实现快速启动的。

(4)工业领域:例如新标准智能电表为延长数据量存储期限,使用Nor Flash替代铁电存储。

(5)5G、通讯设备:5G基站、微基站催生出了各种各样的节点设备,5G 还加速推动了工业物联网、车联网、自动驾驶、边缘计算的发展,这些应用都离不开Nor Flash。


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