存储器基础知识

PCA T/S Department Public Training,存储基础知识,存储器在最近这几年随着便携式产品的发展，有了许多不同的面貌与空间，在终端产品轻、薄、短、小的要求之下，半导体存储技术自然脱颖而出。,高科技产业之所以兴盛，相当重要的原因之一便是数字技术所具有的存储和拷贝功能，我们在将复杂的模拟信号转换为简单的数字信号时，由于只有,0,和,1,的信息，因此在存储数据的时候，只要把具有正负两种特性的物质加以利用就可以了，最明显的就是利用磁性物质的磁场做成的硬磁盘。,目前数字存储技术主要分成三种：磁式、光电式和半导体式，本文主要探讨的是半导体式的储存技术，不过半导体存储技术基本上又分为挥发性,(Volatile),与非挥发性,(Non-volatile),两种，挥发性存储器技术较为成熟，也是目前半导体存储技术的主流，包括,DRAM,、,SRAM,等都是；而非挥发性存储器技术包括过去的掩膜,ROM,、,EPROM,、,EEPROM,、,Flash(,快闪,),、以及新兴的,FRAM(,铁电存储器,),、,MRAM(,磁性存储器,),与,OUM(,相变存储器,),等。,所谓挥发与非挥发的差别在于挥发性存储器在电性消失后，存储的数据便消失，但是非挥发性存储器在电性消失后，仍然能够将数据保存下来，近年来由于便携式电子产品的发展，磁式和光电式的存储元件无法满足轻、薄、短、小的要求，所以半导体存储技术尤其是非挥发性存储技术的成长相当迅速。,非挥发性、存取速度快、成本低、制程简单、数据存储密度高、耗电量低和可无限擦写等特性，是未来存储器技术所必须具备的要点,。,成熟的,Flash,存储器,Flash,的架构大致上可分为具程序执行能力的,NOR,架构以及储存数据的,NAND,和,AND,架构，,Flash,与其它新兴非挥发性技术相较，最大的优势在于其可以用一般的半导体制程生产、成本低，但是其读写速度较,DRAM,慢，可擦写次数也有极限，加上在进入纳米制程之后，预期将会碰到物理极限，据业界人士表示,Flash,在,45nm,以下几乎不可能再有发展，所以尽管在短期内,Flash,依然会是非挥发性存储器主流，但地位可能不见得稳固。,NOR Flash,存储器,NOR Flash,市场目前由,Intel,和,AMD,公司主导，其主要功能是程序的储存，如,PC,中的,BIOS,，便携式产品像手机、,PDA,的快速成长是带动近年来,NOR Flash,快速成长的主要原因，除了量的提升之外，也包括了高容量产品的需求。,NOR Flash,尽管近两年成长不如,NAND Flash,，但是两者原本的市场应用要求就不同，,NOR Flash,因为新兴应用所带来的成长还是相当可观。,NAND,和,AND Flash,存储器,以储存数据为主要功能的,NAND,和,AND Flash,，是目前市场上最当红的存储器，近两年来的新兴应用都以此技术为主，包括小型存储卡、随身电子盘等都是。,在技术方面，数据型,Flash,为提高数据存储密度，也发展,MLC(,多重单元,),架构，,FRAM,存储器,FRAM (Ferroelectric RAM),铁电存储器的耗电量极低，可擦写次数也无限大，,FRAM,的架构为,Perovskite,结晶，最能代表铁电存储器的薄膜材料为,PZT,，位于结晶中心的锆和钛的原子会随外部的电场变化位置，即使除去电性也能维持。,FRAM,由于在高密度的发展上不甚顺利，所以目前许多厂商都先由嵌入式应用切入，例如,IC,芯片卡，此类产品需求的存储单元不大，但是,FRAM,的低耗电特性却可以与其相得益彰，所以各类嵌入式应用或许会成为,FRAM,未来主要的应用市场。,MRAM,存储器,MRAM (Magneto-resistive RAM),磁电阻式存储器的技术原理简单的说就是利用电阻在磁场下的变化，磁电阻变化的比例越高，代表存储元件的电子外围发展技术越简单并更具市场竞争性。,纵观目前记录媒体的物理读写机制可以发现，当记录密度达,1000Gb/in2,以上时，只有磁的读写物理极限还存在，,MRAM,因为采用磁性材料为记录媒体，理论上有更高的记录密度，而且读和写是用与,DRAM,相类似的机构，因此不像需要读写头的硬盘机来得复杂和精密。,OUM,存储器,OUM (,Ovonic,Unified Memory),相变存储器是由,Intel,所提出的非挥发性存储器技术，目前发展的状况还停留在实验室阶段，其原理是利用,Ge,、,Sb,、,Te,等硫系化合物为材质的薄膜来存储资料，数据存储方式类似,CD-ROM,，利用温度造成的相位变化来存储数据。,OUM,的优点在于产品体积较小、成本低、可直接复写且制程简单，也就是在写入数据的时候不用将旧有数据擦除，制程与现有半导体制程相近，惟读写速度和次数不如,FRAM,和,MRAM,；另外，如何稳定维持其驱动温度也是一个技术发的重点。,未来的存储器,从多角度来看存储器或存储元件，不难发现它是逻辑元件与感测元件之间的一种媒介，所以必须具有随机存取的存储功能才能支持系统间各种运算与处理的作业；但是当作业完成后还要具有写入存储的功能，以便把结果记录下来，并作为下一次处理的依据，所以从长远动态的时间性来看，储存元件仍是另一类型态的随机存取媒介。如果把存储器分成挥发性和非挥发性两种，显然运算处理中的系统并不需要太考虑断电时存储是否挥发掉，而必须以处理的速度和容量为主要考量。当数据量越来越庞大，越来越复杂时，非挥发性的存储器毋宁更能发挥关键性的力量。,不过，存储器的中介性质，从允许断电时挥发或不挥发、暂存或不暂存，甚至只读或不只读，也更确认所扮演的中间性角色。存储器的技术和发展本身就是蕴藏着无限的可能性；以下从五个方面介绍存储器的特殊性、媒介性与功能作用，同时也希望据此对照出存储器未来可发展的方向。,Flash Rom,基础知识,一、闪存简介,Flash-ROM,（闪存）已经成为了目前最成功、流行的一种固态内存，与,EEPROM,相比具有读写速度快，而与,SRAM,相比具有非易失、以及价廉等优势。而基于,NOR,和,NAND,结构的闪存是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。,Intel,于,1988,年首先开发出,NOR flash,技术，彻底改变了原先由,EPROM,和,EEPROM,一统天下的局面。紧接着，,1989,年东芝公司发表了,NAND flash,技术（后将该技术无偿转让给韩国,Samsung,公司），强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。,但是经过了十多年之后，仍然有相当多的工程师分不清,NOR,和,NAND,闪存，也搞不清楚,NAND,闪存技术相对于,NOR,技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时,NOR,闪存更适合一些。而,NAND,则是高资料存储密度的理想解决方案。,NOR,的特点是芯片内执行（,XIP,，,eXecute,In Place,），这样应用程序可以直接在闪存内运行，不必再把代码读到系统,RAM,中。,NOR,的传输效率很高，在,1,4MB,的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。,NAND,结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，这也是为何所有的,U,盘都使用,NAND,闪存做为存储介质的原因。应用,NAND,的困难在于闪存和需要特殊的系统接口。,二、性能比较,闪存是非易失内存，可以对称为块的内存单元块进行擦写和再编程。任何闪存器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。,NAND,器件执行擦除操作是十分简单的，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,。,由于擦除,NOR,器件时是以,64,128KB,的块进行的，执行一个写入,/,擦除操作的时间为,5s,，与此相反，擦除,NAND,器件是以,8,32KB,的块进行的，执行相同的操作最多只需要,4ms,。,执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了,NOR,和,NAND,之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作（尤其是更新小文件时），更多的擦除操作必须在基于,NOR,的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。,1) NOR,的读速度比,NAND,稍快一些。,2) NAND,的写入速度比,NOR,快很多。,3) NAND,的,4ms,擦除速度远比,NOR,的,5s,快。大多数写入操作需要先进行擦除操作。,4) AND,的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。,三、接口差别,NOR,闪存带有,SRAM,接口，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。,NAND,闪存使用复杂的,I/O,口来串行地存取资料，各个产品或厂商的方法可能各不相同。,8,个引脚用来传送控制、地址和资料信息。,NAND,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，很自然地，基于,NAND,的闪存就可以取代硬盘或其它块设备。,四、容量和成本,NAND,闪存的单元尺寸几乎是,NOR,闪存的一半，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，也就相应地降低了价格。,NOR,闪存容量为,1,11,16MB,闪存市场的大部分，而,NAND,闪存只是用在,8MB,以上的产品当中，这也说明,NOR,主要应用在代码存储介质中，,NAND,适合于资料存储，,NAND,在,CompactFlash,、,Secure Digital,、,PC Cards,和,MMC,存储卡市场上所占份额最大。,五、可靠性和耐用性,采用闪存介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展,MTBF,的系统来说，闪存是非常合适的存储方案。可以从寿命（耐用性）、位交换和坏块处理三个方面来比较,NOR,和,NAND,的可靠性。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,内存除了具有,10,：,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,内存块在给定的时间内的删除次数要少一些。,位交换,所有闪存器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下（很少见，,NAND,发生的次数要比,NOR,多），一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。,当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测,/,错误纠正（,EDC/ECC,）算法。位反转的问题更多见于,NAND,闪存，,NAND,的供货商建议使用,NAND,闪存的时候，同时使用,EDC/ECC,算法。这个问题对于用,NAND,存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其它敏感信息时，必须使用,EDC/ECC,系统以确保可靠性。,坏块处理,NAND,器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。,NAND,器件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。,六、易于使用,可以非常直接地使用基于,NOR,的闪存，可以像其它内存那样连接，并可以在上面直接运行代码。由于需要,I/O,接口，,NAND,要复杂得多。各种,NAND,器件的存取方法因厂家而异。在使用,NAND,器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其它操作。向,NAND,器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在,NAND,器件上自始至终都必须进行虚拟映像。,七、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,。,八、典型的,NOR,闪存（,Strata Flash,）,Strata Flash,是,Intel,公司产的典型,Nor Flash,， 本机使用的,Strata Flash,是该系列中的,28F320J3,，该闪存的内部逻辑框图如图 ：,它的特性如下：,1),问速度有,110ns/120ns,和,150ns,共,3,檔,2),具备,128bit,加密寄存器,3),块尺寸：,128KB,九、典型的,NAND,闪存（,K9S5608,）,K9S5608,是韩国,Samsung,公司所产的,256MBit,（,32MByte,）,SMC,卡（外形封装成卡片形式的）,NAND,闪存。下图是,K9S5608,的内部逻辑框图。,K9S5608,具有以下特性：（,1,）,32MByte,存储空间的结构为：（,32M,1024K,）,bit,8bit,（见图,10-3,）；（,2,） 支持自动编程和擦除模式（,3,）,10uS,随即页面读写；（,4,）,200uS,快速页面擦除周期；（,5,） 具备硬件写保护功能；（,6,） 擦,/,写寿命：,10,万次；（,7,） 资料保存寿命：,10,年,Thank You,Topmy.Luan,