主導閃存發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

　　閃存幾乎無(wú)處不在，特別是在移動(dòng)設備中。閃存具有各種外形尺寸，隨著(zhù)成本的不斷降低以及容量和工作壽命的不斷增加，閃存不斷地推動(dòng)著(zhù)越來(lái)越多的平臺中硬盤(pán)驅動(dòng)器的發(fā)展。

　　NAND和NOR閃存主導著(zhù)固態(tài)非易失性存儲器（NVM）市場(chǎng)，但是這些閃存并不是唯一可用的技術(shù)。不會(huì )明確地暴露閃存的外形尺寸是使用非閃存技術(shù)來(lái)替代的可能目標。比如，非閃存產(chǎn)品正在串行存儲領(lǐng)域中暫露頭角。

　　圖1：閃存具有各種外形尺寸，包括SecureDigital（a）、MicroSD（b）、Sony記憶棒（c）、緊湊型閃存（d）和mSATA（e）。它們一般都采用NAND閃存

　　非易失性固態(tài)存儲器

　　一方面是一次性可編程（OTP）存儲器?，F在，OTP存儲器一般用來(lái)保存安全密鑰或網(wǎng)絡(luò )ID。它是采用諸如熔絲、反熔絲和浮柵等各種技術(shù)實(shí)現的。這種存儲器還可以采用標準CMOS技術(shù)來(lái)實(shí)現。

　　帶動(dòng)NVM規模的是各種多次可編程（MTP）存儲器技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)可以寫(xiě)入上百次甚至上千次。MTP存儲器一般用來(lái)實(shí)現很少更改的啟動(dòng)代碼。與OTP一樣，MTP一般是采用CMOS技術(shù)實(shí)現的，這樣就可以用在數字邏輯中。

　　浮柵EEPROM已經(jīng)在數據存儲中得到普遍的應用。由于具有寫(xiě)入單字節的能力、良好的耐力和數據保持能力，浮柵EEPROM已經(jīng)相當流行，但是閃存技術(shù)在密度上遠勝于浮柵EEPROM。EEPROM仿真常常被視為某些閃存實(shí)現方案的一種功能，它可以隱藏閃存的塊擦除要求，以便能夠寫(xiě)入單個(gè)字節。

　　其他的非易失性技術(shù)正在不斷地提升閃存的優(yōu)勢，包括磁阻RAM（MRAM）、鐵電RAM （FRAM）、相變存儲器（PCM）以及前途無(wú)量的NVM技術(shù)。與NAND和NOR閃存等其他NVM技術(shù)相比，這些技術(shù)都具有更高的總體性能，包括寫(xiě)入速度、電壓要求、缺少頁(yè)面擦除周期、長(cháng)期耐用性、數據保持能力和可擴展性。

　　這些技術(shù)開(kāi)始是針對利基市場(chǎng)，在這種市場(chǎng)中，成本高一點(diǎn)并沒(méi)有什么問(wèn)題（至少在初期階段是這樣），其優(yōu)勢相當明顯。它們甚至會(huì )引發(fā)SRAM與DRAM之間的激烈競爭。

　　德州儀器（TI）公司的16位MSP430FR57xx系列以其高達16 kB的用于數據存儲和程序存儲的FRAM而著(zhù)稱(chēng)。該系列存儲器具有代表性地融合了SRAM、閃存和EEPROM存儲器。單個(gè)方案就可以降低庫存單位（SKU）數，并簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)人員的工作，使他們不再需要應付程序存儲的RAM要求。

　　今后，這些可供選擇的NVM技術(shù)將在更多的設計中得到應用。不過(guò)現在，閃存仍是主導的NVM技術(shù)。

　　閃存技術(shù)

　　閃存實(shí)現方案可以分成NAND和NOR方案，不同的供應商提供的方案各有不同。他們一般采用浮柵晶體管。這兩種技術(shù)都表明了晶體管是如何連接和使用的，而不是將晶體管作為數字邏輯的一部分與FPGA或定制邏輯整合在一起。

　　NOR閃存晶體管接地和位線(xiàn)，這樣就可以訪(fǎng)問(wèn)單個(gè)位。與NAND閃存相比，它具有更好的耐寫(xiě)性能。NOR閃存一般用在有代碼和數據的應用中。帶片上閃存的微控制器一般都會(huì )整合NOR閃存。

　　NAND閃存晶體管一般是成組連接至字線(xiàn)。這就可以實(shí)現比NOR閃存更高的密度。NAND閃存一般用于面向塊的數據存儲器。從晶體管的角度來(lái)看，NAND閃存不如NOR閃存可靠，因此NAND存儲平臺就需要使用錯誤檢測和校正硬件或軟件。NAND閃存一般用于高容量數據存儲。

　　閃存使用擦寫(xiě)周期。擦除本質(zhì)上是將閃存設置為1。寫(xiě)入則是將位設置為0，只要現有的1被改為0，就可以寫(xiě)入不同的數據。由于允許在沒(méi)有長(cháng)時(shí)間的耗電擦除周期的情況下執行操作，因此閃存文件系統可以充分利用這種特性。NAND閃存一般工作在塊級別，而NOR可訪(fǎng)問(wèn)更加精細的級別。

　　閃存從單級單元（SLC）數據編碼開(kāi)始，每個(gè)存儲晶體管對1或0進(jìn)行編碼。多級單元（MLC）閃存一般是指每單元存儲2位（而不是1位）信息的能力。在晶體管級，所有的信息都是模擬的，不過(guò)與構建MLC閃存所需要的四級檢測電路相比，構建一個(gè)兩級檢測電路更加簡(jiǎn)單。

　　同樣，對MLC單元進(jìn)行編程需要有產(chǎn)生四個(gè)不同級的能力。三級單元（TLC）閃存則更進(jìn)了一步，這種閃存將3位或八級裝入單個(gè)存儲單元中，比如美光（Micron）公司的3位34nm NAND閃存芯片。

　　MLC或TLC存儲器的明顯優(yōu)勢是密度更高。其通常會(huì )在性能上作出折衷，尤其是耐寫(xiě)性能方面。

　　典型的SLC NAND閃存的可寫(xiě)次數為10萬(wàn)次，而SLC NOR閃存的可寫(xiě)次數為100萬(wàn)次。MLC閃存的可寫(xiě)次數則僅為上述次數的10分之一，TLC閃存的可寫(xiě)次數則更少。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，這些可寫(xiě)次數在不斷地增加。SLC具有更好的耐寫(xiě)性能，而MLC和TLC的成本效益將更高。

　　閃存系統的使用壽命取決于多重因素，包括其托管方式。如果一個(gè)區域出現耗損時(shí)（即出現寫(xiě)入失敗，無(wú)法保存正確的信息的情況時(shí)），非托管型閃存就會(huì )出現問(wèn)題。錯誤檢測系統有助于確定何時(shí)出現這種情況，不過(guò)一旦出現這種情況，設備一般也毫無(wú)用處了。更糟糕的是，其失效可能會(huì )導致相當多的問(wèn)題。這也就是為什么帶有內置閃存（無(wú)法跟蹤耗損情況）的微控制器等器件依賴(lài)于可寫(xiě)次數較高的NOR閃存的原因。

　　有多種方法可以用來(lái)提高總系統壽命，比如耗損均衡。這種方法需要重新映射信息位置的能力。該方法對于面向塊的器件最有效，盡管它可以應用到塊大小的單個(gè)字中。實(shí)現耗損均衡會(huì )引起開(kāi)銷(xiāo)，因此塊尺寸較大的話(huà)，效率就會(huì )更高。

　　耗損均衡可將寫(xiě)入操作分布在存儲設備中。系統的使用壽命可以視為系統的總寫(xiě)入容量，而不是單個(gè)塊的最大值。耗損均衡需要跟蹤塊寫(xiě)入使用情況以及記錄和利用該信息的能力。如果出現缺陷的話(huà)，塊的使用壽命往往會(huì )縮短至不到其建議的寫(xiě)入壽命。

　　在這種情況下，如果存儲器被超額配置的話(huà)，則可以使用重新映射機制。額外的塊或扇區在硬盤(pán)驅動(dòng)器上很常見(jiàn)，對閃存可以采用同樣的方法。唯一的區別是，如果在規則的塊中檢測到不可校正的錯誤，那么就會(huì )使用額外的塊。

　　使用耗損均衡之后，所有的塊往往就都是存儲池的一部分。如果系統是以軟件方式實(shí)現的，也可以根據系統所需的使用壽命來(lái)選擇邏輯設備尺寸。邏輯尺寸越小，出現的“額外”塊越多。

　　像FRAM、MRAM和PCM等其他一些技術(shù)不會(huì )出現與閃存一樣的耐寫(xiě)能力問(wèn)題。但是仍然可以使用諸如存儲器過(guò)度配置和重新映射等技術(shù)，特別是在硬件缺陷等其他錯誤可能比較常見(jiàn)的大型設備中。

　　閃存軟件和控制器

　　對閃存的受控訪(fǎng)問(wèn)使軟件可以忽略從擦除要求到耐寫(xiě)能力等一系列支持閃存的問(wèn)題。在哪里以及以何種方式實(shí)現這種控制差別很大。

　　閃存文件系統是開(kāi)發(fā)人員處理原始閃存的一種方法。這些系統是可訪(fǎng)問(wèn)閃存芯片接口的設備驅動(dòng)器。明顯地，相對于操作系統和應用而言，驅動(dòng)器處理所有的閃存常規工作，如錯誤檢測、耗損均衡和壞塊重新映射。它可以將部分閃存用于內部表，并負責說(shuō)明閃存擦除和寫(xiě)入特性。

　　驅動(dòng)器可以提供一定的文件和目錄管理功能，或者只代表一個(gè)低級邏輯塊器件。這兩種方法有各自的優(yōu)勢，需根據具體的應用環(huán)境來(lái)選擇。

　　采用硬件方案時(shí)，一般會(huì )提供塊級接口。由于軟件方案一般無(wú)法提供硬件加速，因此硬件方案還可以整合更具魯棒性的糾錯和映射系統。早期階段出現過(guò)眾多閃存控制器公司，不過(guò)現在它們都已經(jīng)被致力于提供集成度更高的方案的閃存公司收購了。

　　將閃存放在硬件控制器后面可以起很大的作用。比如，它可以簡(jiǎn)化設備接口、提供諸如降低功耗（包括各種休眠模式）等更加先進(jìn)的功能，并實(shí)現混合存儲系統。

　　混合系統可在同一封裝中整合不同類(lèi)型的存儲器。這種方法可以通過(guò)在混合系統中增加RAM，從而使NAND閃存等塊設備能夠在比特級或文字級進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。三星（Samsung）的OneNAND將SRAM與其N(xiāo)AND閃存控制器整合在一起。該方案可使系統用作程序存儲器，并根據需要在SRAM中對塊設備進(jìn)行緩存。

　　此外，RAM的速度也比閃存快，特別是寫(xiě)入速度方面。它也不受閃存耐寫(xiě)能力限制的影