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轉(zhuǎn)自： http://blog.sina.com.cn/s/blog_4b4b54da01016rx3.html 這里我想以一個(gè)純玩家的角度來談?wù)勱P(guān)于NAND Flash的底層結(jié)構(gòu)和解析，可能會(huì)有錯(cuò)誤的地方，如果有這方面專家強(qiáng)烈歡迎指正。
NAND Flash作為一種比較實(shí)用的固態(tài)硬盤存儲(chǔ)介質(zhì)，有自己的一些物理特性，需要有基本的管理技術(shù)才能使用，對(duì)設(shè)計(jì)者來說，挑戰(zhàn)主要在下面幾點(diǎn)： 1.需要先擦除才能寫入。 2.損耗機(jī)制，有耐久度限制。 3.讀寫時(shí)候造成的干擾會(huì)造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)。 4.數(shù)據(jù)的保存期。 5.對(duì)初始和運(yùn)行時(shí)候的壞塊管理。 只有至少滿足這些基本的管理技術(shù)，才能讓NAND Flash成為一款可以使用的固態(tài)存儲(chǔ)介質(zhì)。（這里還沒有談到任何關(guān)于性能的地方，因?yàn)槟鞘沁@些基本條件滿足后的事。） 當(dāng)滿足了上面的5點(diǎn)后，才該談到穩(wěn)定，性能，耐久度，影響這些的5大因素為： 1.SLC和MLC 2.平衡磨損算法 3.透過壞塊管理技術(shù)確保數(shù)據(jù)的完整性。 4.使用錯(cuò)誤檢測和校正技術(shù) 5.寫入放大 只有滿足了這些條件，才能得到一款理想中的完美的固態(tài)硬盤。  ----------------------------------------------------------------------- Flash全名叫做Flash Memory，屬于非易失性存儲(chǔ)設(shè)備(Non-volatile Memory Device)，與此相對(duì)應(yīng)的是易失性存儲(chǔ)設(shè)備(Volatile Memory Device)。關(guān)于什么是非易失性/易失性，從名字中就可以看出，非易失性就是不容易丟失，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這類設(shè)備中，即使斷電了，也不會(huì)丟失，這類設(shè)備，除了Flash，還有其他比較常見的如硬盤，ROM等，與此相對(duì)的，易失性就是斷電了，數(shù)據(jù)就丟失了，比如大家常用的內(nèi)存，不論是以前的SDRAM，DDR SDRAM，還是現(xiàn)在的DDR2，DDR3等，都是斷電后，數(shù)據(jù)就沒了。 Flash的內(nèi)部存儲(chǔ)是金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管(MOSFET)，里面有個(gè)懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的單元。  數(shù)據(jù)在Flash內(nèi)存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲(chǔ)的。存儲(chǔ)電荷的多少，取決于圖中的控制門（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)于NAND Flash的寫入（編程)，就是控制Control Gate去充電（對(duì)Control Gate加壓），使得懸浮門存儲(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)懸浮門放電，低于閥值Vth，就表示1。 NAND Flash的架構(gòu):  如上圖所示，這是一個(gè)8Gb 50nm的SLC顆粒內(nèi)部架構(gòu)。 每個(gè)page有33,792個(gè)單元，每個(gè)單元代表1bit(SLC)，所以每個(gè)page就是4096Byte + 128Byte（SA）。 每個(gè)Block有64個(gè)page組成，所以每個(gè)Block容量為262,114Byte + 8192Byte （SA） page是NAND Flash上最小的讀/寫單位（一個(gè)page上的單元共享一根字符線Word line），塊是最小的擦除單位（。不同廠牌不同型號(hào)顆粒有不同的page和block大小。 下圖是個(gè)8Gb 50nm的SLC顆粒。  4KB的頁尺寸，256KB的塊尺寸。圖中4096字節(jié)用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，另外128字節(jié)用來做管理和ECC用。 SLC 和 MLC 區(qū)別： SLC主要針對(duì)軍工，企業(yè)級(jí)應(yīng)用，有著高速寫入，低出錯(cuò)率，長耐久度特性。 MLC主要針對(duì)消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，有著2倍容量于SLC，低成本，適合USB閃盤，手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)等儲(chǔ)存卡。如今也被用于消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤上。  由上圖可以看到，MLC和SLC雖然使用相同的電壓值，但是電壓之間的閥值被分成了4份，直接影響了性能和穩(wěn)定性。主要有下面幾點(diǎn)： 1.相鄰的存儲(chǔ)電荷的懸浮門間會(huì)互相干擾，造成懸浮門里的電荷不穩(wěn)定出現(xiàn)bit錯(cuò)誤，MLC由于閥值相比SLC更接近，造成出錯(cuò)幾率更大。 2.MLC讀寫性能降低，寫入更是降低50%以上，因?yàn)樾枰_認(rèn)充入電荷的量，這需要更精確的處理。SLC只有0和1，也就是有和沒有，而MLC會(huì)有00,01,10,11 4個(gè)狀態(tài)，在充入電荷后還要去判斷是哪個(gè)狀態(tài)，自然就慢了。 3.因?yàn)樯厦嬲f的，造成額外的讀寫壓力，所以功耗明顯增大。 4.因?yàn)轭~外的讀寫壓力，造成閃存的寫入耐久度和數(shù)據(jù)保存期受到影響。 eMLC和eSLC的耐久度提升是用犧牲了數(shù)據(jù)保存期和增加讀寫時(shí)間換來的。（也就是性能會(huì)更差點(diǎn)） ------------------------------------------------------------------- 挑戰(zhàn)1：需要先擦除才能寫入。  當(dāng)今的NAND Flash可以讀/寫一個(gè)page，但是必須以block大小擦除。 擦除操作就是讓塊中所有的bit變?yōu)?，從一個(gè)干凈的“已擦除”狀態(tài)的block重新開始。當(dāng)里面的頁變?yōu)?后，只有擦除整個(gè)塊才能讓這個(gè)頁變?yōu)?。為了盡量減少擦除的次數(shù)，成熟的塊管理技術(shù)必不可少。 挑戰(zhàn)2：讀/寫干擾。 NAND Flash的電荷非常不穩(wěn)定，在讀/寫中很容易對(duì)鄰近的單元造成干擾，干擾后會(huì)讓附近單元的電荷脫離實(shí)際的邏輯數(shù)值，造成bit出錯(cuò)，因?yàn)殚y值接近的關(guān)系，MLC相對(duì)SLC來說更容易受到干擾。  讀取干擾  寫入干擾 讀取干擾指的是在讀取某個(gè)page時(shí)，鄰近的bit會(huì)受到升高電壓的干擾，造成bit出錯(cuò)。寫入干擾指的是，某個(gè)page在寫入時(shí)，鄰近bit的電壓也被升高了，造成bit出錯(cuò)。相對(duì)寫入干擾來說，讀取干擾明顯小的多。在讀/寫干擾中，可能造成某些bit被改變，結(jié)果造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)。所以需要在返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)前，用ECC/EDC算法來糾正這些bit的錯(cuò)誤。隨著閃存工藝的提升，同樣大小的晶片上被封裝入更多的單元，造成干擾越來越厲害，所以需要更強(qiáng)大的ECC/EDC來糾正bit。 挑戰(zhàn)3：數(shù)據(jù)保存期限 數(shù)據(jù)保存期指的是當(dāng)完全斷電后，數(shù)據(jù)能在NAND Flash里保存多久。NAND單元必須保證一個(gè)穩(wěn)定的電壓水平，來保證數(shù)據(jù)是有效的。典型的SLC一般為10年。電荷從懸浮門里漏出，我們叫做電子遷移，當(dāng)隨著時(shí)間的流逝，電荷泄漏到一定程度，改變了NAND單元里懸浮門的電壓對(duì)應(yīng)的邏輯值，這樣就造成bit出錯(cuò)。  數(shù)據(jù)保存期會(huì)隨著擦寫次數(shù)的增加而明顯降低，而且從上面的原理中看出，MLC的數(shù)據(jù)保存期明顯會(huì)比SLC少。（更容易被干擾) 挑戰(zhàn)4： 壞塊 NAND Flash里有2種壞塊類型： 1，出廠壞塊：由于為了保證產(chǎn)量和控制成本,出廠的NAND Flash某些就會(huì)有壞塊。廠商保證SLC出廠壞塊低于2%，MLC出廠壞塊低于5%。 2，積累壞塊：在多次的寫入/擦除循環(huán)中，某些NAND單元的電荷電壓被永久性的改變了，那就意味著包含這個(gè)NAND單元不可用了。 所以固態(tài)硬盤需要有壞塊管理才能使用，主控制器用壞塊表來映射出廠壞塊和積累壞塊到壞塊區(qū)內(nèi)，出廠時(shí)，顆粒的第一個(gè)塊Block 0廠商會(huì)保證是可用的（至少ECC后可用）。 挑戰(zhàn)5：擦寫次數(shù)限制 造成NAND Flash有擦寫次數(shù)限制的主要有2個(gè)因素： 1，電荷被困在氧化層，不能進(jìn)入懸浮門。 2，氧化層結(jié)構(gòu)被破壞。  如圖，一旦氧化層損壞到達(dá)一定程度，造成電荷越來越難在P-substrate和懸浮門之間交流。電荷被困在氧化層造成懸浮門中的電壓到不了閥值，所以說這個(gè)NAND單元就要被放入壞塊區(qū)了。 當(dāng)前主流SLC的P/E為10萬次，50nm MLC為1萬次，3xnm的MLC為5000次。到了這個(gè)數(shù)字并不意味著就不能用了，這個(gè)只是代表平均壽命，也就是說到了這個(gè)次數(shù)后，壞塊就會(huì)開始大量增加了。 隨著工藝提升，ECC的要求越來越高，50nm的SLC顆粒，三星規(guī)定1bit ECC的就夠了，而50nm MLC要4bit ECC,到了3xnm要求達(dá)到24bit ECC。 ----------------------------------------- 附； ECC 影響NAND Flash穩(wěn)定性和耐久度的一個(gè)主要因素就是ECC能力，目前最常用的三種算法是： 1.Reed-Solomon。2.Hamming。3.BCH (Bose, Ray-Chaudhuri, Hocquenghem) 不管何種ECC算法，何種主控，檢測錯(cuò)誤的方式是相同的：  1.每當(dāng)一個(gè)page寫入NAND Flash，數(shù)據(jù)會(huì)通過ECC引擎，創(chuàng)造獨(dú)特的ECC簽名。 2.數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的ECC簽名存都存放在NAND Flash里，數(shù)據(jù)放在數(shù)據(jù)區(qū)，ECC簽名放在 SA區(qū)。 3.當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)和ECC簽名一起被送往主控制器，此時(shí)新的ECC簽名被生成。 4.此時(shí)主控把2個(gè)簽名對(duì)照，如果簽名相同，說明數(shù)據(jù)沒有錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)就會(huì)被送往主機(jī)。如果簽名不同，數(shù)據(jù)就會(huì)先放在主控里，而不是直接送往主機(jī)。 某些主控會(huì)把改正后的數(shù)據(jù)再次寫回閃存，另一些則不會(huì)，因?yàn)檎l也不知道下次讀取會(huì)不會(huì)再出錯(cuò)。 ECC的能力直接關(guān)系到NAND Flash的耐久度，數(shù)據(jù)保存期。當(dāng)NAND Flash的P/E數(shù)到了之后，錯(cuò)誤數(shù)會(huì)越來越多，ECC弱的直接就報(bào)壞塊并標(biāo)記退休，如果ECC能力足夠強(qiáng)，就能挖掘出Flash所有潛力。 |
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