NAND閃存顆粒結(jié)構(gòu)及工作原理

1、NAND閃存顆粒結(jié)構(gòu)及工作原理前一節(jié)談SLC和MLC的區(qū)別時(shí)，我們說到NAND閃存是一種電壓元件，靠其內(nèi)存電壓來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，現(xiàn)在我們就來談?wù)勊慕Y(jié)構(gòu)及工作原理。閃存的內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管(MOSFET)，里面有一個(gè)浮置柵極(Floating Gate)，它便是真正存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元。請(qǐng)看下圖：數(shù)據(jù)在閃存的存儲(chǔ)單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲(chǔ)的。存儲(chǔ)電荷的多少，取決于圖中的控制柵極（Control gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲(chǔ)單元中沖入電荷還是使其釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示，以所存儲(chǔ)的電荷的電壓是否超過一個(gè)特定的閾值Vth來表示。1.對(duì)

2、于NAND閃存的寫入（編程)，就是控制Control Gate去充電（對(duì)Control Gate施加電壓），使得浮置柵極存儲(chǔ)的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示0。2.對(duì)于NAND Flash的擦除(Erase)，就是對(duì)浮置柵極放電，低于閾值Vth，就表示1。上圖是一個(gè)8Gb 50nm的SLC顆粒內(nèi)部架構(gòu)，每個(gè)page有33,792個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)存儲(chǔ)單元代表1bit(SLC)，所以每個(gè)page容量為4096Byte + 128Byte（SA區(qū)）。每個(gè)Block由64個(gè)page組成，所以每個(gè)Block容量為262,114Byte + 8192Byte （SA區(qū)）。Page是NAND Flash上

3、最小的讀取/寫入（編程）單位（一個(gè)Page上的單元共享一根字符線Word line），Block是NAND Flash上最小的擦除單位。不同廠牌不同型號(hào)顆粒有不同的Page和Block容量。如上所述，大家應(yīng)該發(fā)現(xiàn)了，寫入時(shí)，是在字符線上加壓以寫入數(shù)據(jù)，擦除時(shí)則是在位線上加壓，因?yàn)橐粋€(gè)塊共享一條位線，這也是擦除的單位是塊而不是頁的原因，同理寫入的最小單位是頁的原因大家想必也已明白。下圖是個(gè)8Gb 50nm的SLC芯片，4KB+128字節(jié)的頁大小，256KB+8KB的塊大小。圖中每個(gè)頁內(nèi)4096字節(jié)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，另外128字節(jié)用于管理和ECC等。NAND閃存還會(huì)利用多Plane設(shè)計(jì)以提升性能，請(qǐng)看

4、下圖：多Plane設(shè)計(jì)的原理很簡單，從上圖中（Micron 25nm L73A)我們看到，一個(gè)晶片內(nèi)部分成了2個(gè)Plane，而且2個(gè)Plane內(nèi)的Block編號(hào)是單雙交叉的，想象我們在操作時(shí)，也可以進(jìn)行交叉操作（一單一雙）來提升性能，根據(jù)測試，某些情況下性能可以比單Plane設(shè)計(jì)提高約50%以上。上圖向大家清楚說明了多Plane設(shè)計(jì)提升性能的原因。在前面的SSD基本架構(gòu)中，我們提及了交叉讀寫（Interleave）算法，這個(gè)算法的作用是什么呢？前面所說的是針對(duì)單個(gè)晶片內(nèi)部的多Plane進(jìn)行操作，這里的Interleave指的是對(duì)單通道下多個(gè)晶片進(jìn)行操作。打個(gè)比方，下圖為64G的m4 SSD，顆粒為8顆粒L73A（每個(gè)顆粒內(nèi)部2個(gè)Die封裝)，那么作為8通道的主控制器，每個(gè)通道里可以同時(shí)對(duì)2個(gè)Die(4個(gè)Plane）進(jìn)行操作，達(dá)到提速的目的。假設(shè)上面是單通道的操作模式，下圖上面部分就是一個(gè)通道上有1個(gè)Die，下面部分則是一個(gè)通道上有2個(gè)Die。假定1次讀取需要5個(gè)時(shí)鐘周期，一個(gè)方塊代表1個(gè)時(shí)鐘周期，第五個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)即可傳輸完成，2個(gè)Die的時(shí)候采用交錯(cuò)操作，第一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)Die 1 發(fā)送完讀取指