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闪存

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目录·【闪存的概念】
·【技术及特点】
·【闪存的分类】
·【应用及前景】
·【与硬盘区别】
·【闪存发展过程】
·【闪存的概念】Top

闪存(Flash Memory)是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器,数据删除不是以单个的字节为单位而是以固定的区块为单位,区块大小一般为256KB到20MB。闪存是电子可擦除只读存储器(EEPROM)的变种,EEPROM与闪存不同的是,它能在字节水平上进行删除和重写而不是整个芯片擦写,这样闪存就比EEPROM的更新速度快。由于其断电时仍能保存数据,闪存通常被用来保存设置信息,如在电脑的BIOS(基本输入输出程序)、PDA(个人数字助理)、数码相机中保存资料等。另一方面,闪存不像RAM(随机存取存储器)一样以字节为单位改写数据,因此不能取代RAM。
闪存卡(Flash Card)是利用闪存(Flash Memory)技术达到存储电子信息的存储器,一般应用在数码相机,掌上电脑,MP3等小型数码产品中作为存储介质,所以样子小巧,有如一张卡片,所以称之为闪存卡。根据不同的生产厂商和不同的应用,闪存卡大概有SmartMedia(SM卡)、Compact Flash(CF卡)、MultiMediaCard(MMC卡)、Secure Digital(SD卡)、Memory Stick(记忆棒)、XD-Picture Card(XD卡)和微硬盘(MICRODRIVE)这些闪存卡虽然外观、规格不同,但是技术原理都是相同的。
·【技术及特点】Top

NOR型与NAND型闪存的区别很大,打个比方说,NOR型闪存更像内存,有独立的地址线和数据线,但价格比较贵,容量比较小;而NAND型更像硬盘,地址线和数据线是共用的I/O线,类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般,而且NAND型与NOR型闪存相比,成本要低一些,而容量大得多。因此,NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合,通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行,手机就是使用NOR型闪存的大户,所以手机的“内存”容量通常不大;NAND型闪存主要用来存储资料,我们常用的闪存产品,如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。
这里我们还需要端正一个概念,那就是闪存的速度其实很有限,它本身操作速度、频率就比内存低得多,而且NAND型闪存类似硬盘的操作方式效率也比内存的直接访问方式慢得多。因此,不要以为闪存盘的性能瓶颈是在接口,甚至想当然地认为闪存盘采用USB2.0接口之后会获得巨大的性能提升。
前面提到NAND型闪存的操作方式效率低,这和它的架构设计和接口设计有关,它操作起来确实挺像硬盘(其实NAND型闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性),它的性能特点也很像硬盘:小数据块操作速度很慢,而大数据块速度就很快,这种差异远比其他存储介质大的多。这种性能特点非常值得我们留意。
闪存存取比较快速,无噪音,散热小。你买的话其实可以不考虑那么多,同样存储空间买闪存。如果硬盘空间大就买硬盘,也可以满足你应用的需求。


·【闪存的分类】Top

·目前市场上常见的存储按种类可分:
   U盘
   CF卡
   SM卡
   SD/MMC卡
   记忆棒
·国内市场常见的品牌有:
   金士顿、索尼、晟碟、Kingmax、鹰泰、创见。
【NAND型闪存】
内存和NOR型闪存的基本存储单元是bit,用户可以随机访问任何一个bit的信息。而NAND型闪存的基本存储单元是页(Page)(可以看到,NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区,硬盘的一个扇区也为512字节)。每一页的有效容量是512字节的倍数。所谓的有效容量是指用于数据存储的部分,实际上还要加上16字节的校验信息,因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到“(512+16)Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是(512+16)字节的页面容量,2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到(2048+64)字节。
NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行,如果目标区域已经有数据,必须先擦除后写入,因此擦除操作是闪存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页,容量16KB;而大容量闪存采用2KB页时,则每个块包含64个页,容量128KB。
每颗NAND型闪存的I/O接口一般是8条,每条数据线每次传输(512+16)bit信息,8条就是(512+16)×8bit,也就是前面说的512字节。但较大容量的NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计,如三星编号K9K1G16U0A的芯片就是64M×16bit的NAND型闪存,容量1Gb,基本数据单位是(256+8)×16bit,还是512字节。
寻址时,NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包,每包传送8位地址信息。由于闪存芯片容量比较大,一组8位地址只够寻址256个页,显然是不够的,因此通常一次地址传送需要分若干组,占用若干个时钟周期。NAND的地址信息包括列地址(页面中的起始操作地址)、块地址和相应的页面地址,传送时分别分组,至少需要三次,占用三个周期。随着容量的增大,地址信息会更多,需要占用更多的时钟周期传输,因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大,寻址时间越长。而且,由于传送地址周期比其他存储介质长,因此NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。
决定NAND型闪存的因素有哪些?
1.页数量
前面已经提到,越大容量闪存的页越多、页越大,寻址时间越长。但这个时间的延长不是线性关系,而是一个一个的台阶变化的。譬如128、256Mb的芯片需要3个周期传送地址信号,512Mb、1Gb的需要4个周期,而2、4Gb的需要5个周期。
2.页容量
每一页的容量决定了一次可以传输的数据量,因此大容量的页有更好的性能。前面提到大容量闪存(4Gb)提高了页的容量,从512字节提高到2KB。页容量的提高不但易于提高容量,更可以提高传输性能。我们可以举例子说明。以三星K9K1G08U0M和K9K4G08U0M为例,前者为1Gb,512字节页容量,随机读(稳定)时间12μs,写时间为200μs;后者为4Gb,2KB页容量,随机读(稳定)时间25μs,写时间为300μs。假设它们工作在20MHz。
读取性能:NAND型闪存的读取步骤分为:发送命令和寻址信息→将数据传向页面寄存器(随机读稳定时间)→数据传出(每周期8bit,需要传送512+16或2K+64次)。
K9K1G08U0M读一个页需要:5个命令、寻址周期×50ns+12μs+(512+16)×50ns=38.7μs;K9K1G08U0M实际读传输率:512字节÷38.7μs=13.2MB/s;K9K4G08U0M读一个页需要:6个命令、寻址周期×50ns+25μs+(2K+64)×50ns=131.1μs;K9K4G08U0M实际读传输率:2KB字节÷131.1μs=15.6MB/s。因此,采用2KB页容量比512字节也容量约提高读性能20%。
写入性能:NAND型闪存的写步骤分为:发送寻址信息→将数据传向页面寄存器→发送命令信息→数据从寄存器写入页面。其中命令周期也是一个,我们下面将其和寻址周期合并,但这两个部分并非连续的。
K9K1G08U0M写一个页需要:5个命令、寻址周期×50ns+(512+16)×50ns+200μs=226.7μs。K9K1G08U0M实际写传输率:512字节÷226.7μs=2.2MB/s。K9K4G08U0M写一个页需要:6个命令、寻址周期×50ns+(2K+64)×50ns+300μs=405.9μs。K9K4G08U0M实际写传输率:2112字节/405.9μs=5MB/s。因此,采用2KB页容量比512字节页容量提高写性能两倍以上。
3.块容量
块是擦除操作的基本单位,由于每个块的擦除时间几乎相同(擦除操作一般需要2ms,而之前若干周期的命令和地址信息占用的时间可以忽略不计),块的容量将直接决定擦除性能。大容量NAND型闪存的页容量提高,而每个块的页数量也有所提高,一般4Gb芯片的块容量为2KB×64个页=128KB,1Gb芯片的为512字节×32个页=16KB。可以看出,在相同时间之内,前者的擦速度为后者8倍!
4.I/O位宽
以往NAND型闪存的数据线一般为8条,不过从256Mb产品开始,就有16条数据线的产品出现了。但由于控制器等方面的原因,x16芯片实际应用的相对比较少,但将来数量上还是会呈上升趋势的。虽然x16的芯片在传送数据和地址信息时仍采用8位一组,占用的周期也不变,但传送数据时就以16位为一组,带宽增加一倍。K9K4G16U0M就是典型的64M×16芯片,它每页仍为2KB,但结构为(1K+32)×16bit。
模仿上面的计算,我们得到如下。K9K4G16U0M读一个页需要:6个命令、寻址周期×50ns+25μs+(1K+32)×50ns=78.1μs。K9K4G16U0M实际读传输率:2KB字节÷78.1μs=26.2MB/s。K9K4G16U0M写一个页需要:6个命令、寻址周期×50ns+(1K+32)×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G16U0M实际写传输率:2KB字节÷353.1μs=5.8MB/s
可以看到,相同容量的芯片,将数据线增加到16条后,读性能提高近70%,写性能也提高16%。
5.频率
工作频率的影响很容易理解。NAND型闪存的工作频率在20~33MHz,频率越高性能越好。前面以K9K4G08U0M为例时,我们假设频率为20MHz,如果我们将频率提高一倍,达到40MHz,则K9K4G08U0M读一个页需要:6个命令、寻址周期×25ns+25μs+(2K+64)×25ns=78μs。K9K4G08U0M实际读传输率:2KB字节÷78μs=26.3MB/s。可以看到,如果K9K4G08U0M的工作频率从20MHz提高到40MHz,读性能可以提高近70%!当然,上面的例子只是为了方便计算而已。在三星实际的产品线中,可工作在较高频率下的应是K9XXG08UXM,而不是K9XXG08U0M,前者的频率目前可达33MHz。
6.制造工艺
制造工艺可以影响晶体管的密度,也对一些操作的时间有影响。譬如前面提到的写稳定和读稳定时间,它们在我们的计算当中占去了时间的重要部分,尤其是写入时。如果能够降低这些时间,就可以进一步提高性能。90nm的制造工艺能够改进性能吗?答案恐怕是否!目前的实际情况是,随着存储密度的提高,需要的读、写稳定时间是呈现上升趋势的。前面的计算所举的例子中就体现了这种趋势,否则4Gb芯片的性能提升更加明显。
综合来看,大容量的NAND型闪存芯片虽然寻址、操作时间会略长,但随着页容量的提高,有效传输率还是会大一些,大容量的芯片符合市场对容量、成本和性能的需求趋势。而增加数据线和提高频率,则是提高性能的最有效途径,但由于命令、地址信息占用操作周期,以及一些固定操作时间(如信号稳定时间等)等工艺、物理因素的影响,它们不会带来同比的性能提升。
1Page=(2K+64)Bytes;1Block=(2K+64)B×64Pages=(128K+4K)Bytes;1Device=(2K+64)B×64Pages×4096Blocks=4224Mbits
其中:A0~11对页内进行寻址,可以被理解为“列地址”。
A12~29对页进行寻址,可以被理解为“行地址”。为了方便,“列地址”和“行地址”分为两组传输,而不是将它们直接组合起来一个大组。因此每组在最后一个周期会有若干数据线无信息传输。没有利用的数据线保持低电平。NAND型闪存所谓的“行地址”和“列地址”不是我们在DRAM、SRAM中所熟悉的定义,只是一种相对方便的表达方式而已。为了便于理解,我们可以将上面三维的NAND型闪存芯片架构图在垂直方向做一个剖面,在这个剖面中套用二维的“行”、“列”概念就比较直观了。

·【应用及前景】Top
“优盘”是闪存走进日常生活的最明显写照,其实早在U盘之前,闪存已经出现在许多电子产品之中。传统的存储数据方式是采用RAM的易失存储,电池没电了数据就会丢失。采用闪存的产品,克服了这一毛病,使得数据存储更为可靠。除了闪存盘,闪存还被应用在计算机中的BIOS、PDA、数码相机、录音笔、手机、数字电视、游戏机等电子产品中。
追溯到1998年,优盘进入市场。接口由USB1.0发展到2.0,速度逐渐提高。U盘的盛行还间接促进了USB接口的推广。为什么U盘这么受到人们欢迎呢?
闪存盘可用来在电脑之间交换数据。从容量上讲,闪存盘的容量从16MB到2GB可选,突破了软驱1.44MB的局限性。从读写速度上讲,闪存盘采用USB接口,读写速度比软盘高许多。从稳定性上讲,闪存盘没有机械读写装置,避免了移动硬盘容易碰伤、跌落等原因造成的损坏。部分款式闪存盘具有加密等功能,令用户使用更具个性化。闪存盘外形小巧,更易于携带。且采用支持热插拔的USB接口,使用非常方便。
目前,闪存正朝大容量、低功耗、低成本的方向发展。与传统硬盘相比,闪存的读写速度高、功耗较低,目前市场上已经出现了闪存硬盘。随着制造工艺的提高、成本的降低,闪存将更多地出现在日常生活之中。


·【与硬盘区别】Top

如果单从储存介质上来说 ,闪存比硬盘好 。但并不是音质上的好,是指数据传输的速度还有抗震度来说(闪存不存在抗震) 。要对比两者之间的优劣并不难, 首先理解什么是数码,知道什么是数码信号之后就该清楚数码信号通常是不受储存介质干扰的。(忽略音频流文件的误码,硬盘和闪存在这个方面可以忽略,光盘不同。) 硬盘和闪存的数据准确性都很高 ,在同样的测试条件下(相同解码相同输出),两者音质肯定是一样的 。对于随身听来说,赞同闪存式。
优点:
1.闪存的随身听小。并不是说闪存的集成度就一定会高。微硬盘做的这么大一块主要原因就是微硬盘不能做的小过闪存,并不代表微硬盘的集成度就不高。再说,集成度高并不能代表音质一定下降。MD就是一个例子。
2.相对于硬盘来说闪存结构不怕震,更抗摔。硬盘最怕的就是强烈震动。虽然我们使用的时候可以很小心,但老虎也有打盹的时候,不怕一万就怕万一。
3.闪存可以提供更快的数据读取速度,硬盘则受到转速的限制 。
4.质量轻。
·【闪存发展过程】Top
·闪存的发展历史
  在1984年,东芝公司的发明人Fujio Masuoka 首先提出了快速闪存存储器(此处简称闪存)的概念。与传统电脑内存不同,闪存的特点是非易失性(也就是所存储的数据在主机掉电後不会丢失),其记录速度也非常快。
  Intel是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司。1988年,公司推出了一款256K bit闪存芯片。它如同鞋盒一样大小,并被内嵌于一个录音机里。後来,Intel发明的这类闪存被统称为NOR闪存。它结合EPROM(可擦除可编程只读存储器)和EEPROM(电可擦除可编程只读存储器)两项技术,并拥有一个SRAM接口。
  第二种闪存称为NAND闪存。它由日立公司于1989年研制,并被认为是NOR闪存的理想替代者。NAND闪存的写周期比NOR闪存短十倍,它的保存与删除处理的速度也相对较快。NAND的存储单元只有NOR的一半,在更小的存储空间中NAND获得了更好的性能。鉴于NAND出色的表现,它常常被应用于诸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 xD、 and PC cards、USB sticks等存储卡上。
·闪存的市场现状分析
  目前的闪存市场仍属于群雄争霸的末成熟时期。三星、日立、Spansion和Intel是这个市场的四大生产商。
  由于战略上的一些错误,Intel在第一次让出了它的榜首座椅,下落至三星、日立和Spansion之後。
  AMD闪存业务部门Spansion同时生产NAND和NOR闪存。它上半年的NOR闪存产量几乎与Intel持平,成为NOR闪存的最大制造商。该公司在上半年赢利为13亿美元,几乎是它整个公司利润额(25亿美元)的一半以上。
  总体而言,Intel和AMD在上半年成绩喜人,但三星和日立却遭受挫折。
据市场调研公司iSuppli所做的估计,今年全球的闪存收益将达到166亿美元,比2003年(116.4亿美元)上涨46%。消息者对数码相机、USB sticks和压缩式MP3播放器内存的需求将极大推动闪存的销售。据预测,2005年闪存的销售额将达到175亿美元。不过,iSuppli估计,2005年至2008年闪存的利润增涨将有所回落,最高将达224亿美元。
·新的替代品是否可能?
  与许多寿命短小的信息技术相比,闪存以其16年的发展历程,充分显示了其“老前辈”的作风。九十年代初,闪存才初入市场;至2000年,利益额已突破十亿美元。英飞凌科技闪存部门主任,彼得曾说:“就闪存的生命周期而言,我们仍处于一个上升的阶段。”英飞凌相信,闪存的销售仍具有上升空间,并在酝酿加入对该市场的投入。英飞凌在今年初宣布,其位于德累斯顿的200毫米DRAM工厂已经开始生产512Mb NAND兼容闪存芯片。到2004年底,英飞凌公司计划采用170纳米制造工艺,每月制造超过10,000片晶圆。而2007年,该公司更希望在NAND市场成为前三甲。
  此外,Intel技术与制造集团副总载Stefan Lai认为,在2008年之前,闪存将不可替代。2006年,Intel将首先采用65纳米技术;到2008年,目前正在研发的新一代45纳米技术将有望投放市场。Stefan Lai觉得,目前的预测仍然比较浅显,或许32纳米、22纳米技术完全有可能实现。但Stefan Lai也承认,2008年至2010年,新的技术可能会取而代之。
尽管对闪存替代品的讨论越来越激励,闪存仍然受到市场的重视。未来的替代品不仅必须是类似闪存一样的非易失性存储器,而且在速度和写周期上略胜一筹。此外,生产成本也应该相对低廉。由于现在制造技术还不成熟,新的替代品不会对闪存构成绝对的威胁。下面就让我们来认识一下几种可能的替代产品:
·Nanocrystals(纳米晶体)
  摩托罗拉的半导体部门Freescale正在研制一种增加闪存生命周期的产品。这种产品以硅纳米晶体(Silicon Nanocrystals)为介质,用硅原子栅格代替了半导体内部的固态层。纳米晶体不是一个全新的存储技术。它只是对闪存的一种改进,使它更易扩展。它的生产成本可以比原来低大约10-15%,生产过程更加简单。它的性能与可靠性都能够与目前的闪存相媲美。
  摩托罗拉花了十年时间研发这种技术,并打算大规模生产此类产品。去年六月,该公司已经成功地使用此技术推出了一款此类芯片。硅纳米晶体芯片预计会在2006年全面投放市场。
→更多相关内容请参见纳米晶体
·MRAM(Magnetic RAM磁荷随机存储器)
  MRAM磁荷随机存储器是由英飞凌与Freescale两家公司研发的一种利用磁荷来储存数据的存介质。MRAM的写次数很高,访问速度也比闪存大大增强。根据计算,写MRAM芯片上1bit的时间要比写闪存的时间短一百万倍。
·磁荷随机存储器
  两家公司都认为,MRAM不仅将是闪存的理想替代品,也是DRAM与SRAM的强有力竞争者。今年六月,英飞凌已将自己的第一款产品投放市场。与此同时,Freescale也正在加紧研发,力争在明年推出4M bit芯片。
  但是,一些评论者担心MRAM是否能达到闪存存储单元的尺寸。根据英飞凌的报告,目前闪存存储单元的尺寸为0.1µm²,而16M bit MRAM芯片仅达到1.42 µm²。另外,MRAM的生产成本也是个不小的问题。
  更多相关内容请参见磁荷随机存储器。
·OUM(Ovonic Unified Memory Ovonyx标准化内存)
  OUM是由Intel研发的,利用Ge、Sb与Te等化合物为材料制成的薄膜。OUM。OUM的写、删除和读的功能与CD-RW与DVD-RW相似。但CD/DVD使用激光来加热和改变称为硫系化合物(chalcogenides)的材料;而OUM则通过电晶体控制电源,使其产生相变方式来储存资料。
  OUM的擦写次数为10的12次方,100次数据访问时间平均为200纳秒。OUM的速度比闪存要快。尽管OUM比MRAM的数据访问时间要慢,但是低廉的成本却是OUM的致胜法宝。
  与MRAM不同,OUM的发展仍处于初期。尽管已制成测试芯片,它们仅仅能用来确认概念而不是说明该技术的可行性。Intel在过去四年一直致力于OUM的研发,并正在努力扩大该市场。
  更多相关内容请参见OUM 。
·总结
  除了上文提到的MRAM和OUM,其它可替代的产品还有MRAM (FeRAM)、 Polymer memory (PFRAM)、 PCRAM、 Conductive Bridge RAM (CBRAM)、 Organic RAM (ORAM)以及最近的Nanotube RAM (NRAM)。目前替代闪存的产品有许多,但是哪条路能够成功,以及何时成功仍然值得怀疑。
  对大多数公司而言,闪存仍是一个理想的投资。不少公司已决定加大对闪存的投资额。此外,据估计,到2004年,闪存总产值将与DRAM并驾齐驱,到2006年将超越DRAM产品。因为,在期待新一代产品的同时,我们也不应该忽视目前已有的市场。



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集成电路    存储器    

参考资料

贡献者
yccnankai    


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