存儲器基礎(chǔ)知識

1、 存儲器在最近這幾年隨著便攜式產(chǎn)品的發(fā)展，有了許多不同的面貌與空間，在終端產(chǎn)品輕、薄、短、小的要求之下，半導(dǎo)體存儲技術(shù)自然脫穎而出。 高科技產(chǎn)業(yè)之所以興盛，相當(dāng)重要的原因之一便是數(shù)字技術(shù)所具有的存儲和拷貝功能，我們在將復(fù)雜的模擬信號轉(zhuǎn)換為簡單的數(shù)字信號時，由于只有0和1的信息，因此在存儲數(shù)據(jù)的時候，只要把具有正負(fù)兩種特性的物質(zhì)加以利用就可以了，最明顯的就是利用磁性物質(zhì)的磁場做成的硬磁盤。 目前數(shù)字存儲技術(shù)主要分成三種：磁式、光電式和半導(dǎo)體式，本文主要探討的是半導(dǎo)體式的儲存技術(shù)，不過半導(dǎo)體存儲技術(shù)基本上又分為揮發(fā)性(Volatile)與非揮發(fā)性(Non-volatile)兩種，揮發(fā)性存儲器技術(shù)較

2、為成熟，也是目前半導(dǎo)體存儲技術(shù)的主流，包括DRAM、SRAM等都是；而非揮發(fā)性存儲器技術(shù)包括過去的掩膜ROM、EPROM、EEPROM、Flash(快閃)、以及新興的FRAM(鐵電存儲器)、MRAM(磁性存儲器)與OUM(相變存儲器)等。 所謂揮發(fā)與非揮發(fā)的差別在于揮發(fā)性存儲器在電性消失后，存儲的數(shù)據(jù)便消失，但是非揮發(fā)性存儲器在電性消失后，仍然能夠?qū)?shù)據(jù)保存下來，近年來由于便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展，磁式和光電式的存儲元件無法滿足輕、薄、短、小的要求，所以半導(dǎo)體存儲技術(shù)尤其是非揮發(fā)性存儲技術(shù)的成長相當(dāng)迅速。 非揮發(fā)性、存取速度快、成本低、制程簡單、數(shù)據(jù)存儲密度高、耗電量低和可無限擦寫等特性，是未來存

3、儲器技術(shù)所必須具備的要點(diǎn) 。成熟的成熟的FlashFlash存儲器存儲器Flash的架構(gòu)大致上可分為具程序執(zhí)行能力的NOR架構(gòu)以及儲存數(shù)據(jù)的NAND和AND架構(gòu)，F(xiàn)lash與其它新興非揮發(fā)性技術(shù)相較，最大的優(yōu)勢在于其可以用一般的半導(dǎo)體制程生產(chǎn)、成本低，但是其讀寫速度較DRAM慢，可擦寫次數(shù)也有極限，加上在進(jìn)入納米制程之后，預(yù)期將會碰到物理極限，據(jù)業(yè)界人士表示Flash在45nm以下幾乎不可能再有發(fā)展，所以盡管在短期內(nèi)Flash依然會是非揮發(fā)性存儲器主流，但地位可能不見得穩(wěn)固。 NOR FlashNOR Flash存儲器存儲器NOR Flash市場目前由Intel和AMD公司主導(dǎo)，其主要功能是程

4、序的儲存，如PC中的BIOS，便攜式產(chǎn)品像手機(jī)、PDA的快速成長是帶動近年來NOR Flash快速成長的主要原因，除了量的提升之外，也包括了高容量產(chǎn)品的需求。NOR Flash盡管近兩年成長不如NAND Flash，但是兩者原本的市場應(yīng)用要求就不同，NOR Flash因?yàn)樾屡d應(yīng)用所帶來的成長還是相當(dāng)可觀。 NANDNAND和和AND FlashAND Flash存儲器存儲器以儲存數(shù)據(jù)為主要功能的NAND和AND Flash，是目前市場上最當(dāng)紅的存儲器，近兩年來的新興應(yīng)用都以此技術(shù)為主，包括小型存儲卡、隨身電子盤等都是。在技術(shù)方面，數(shù)據(jù)型Flash為提高數(shù)據(jù)存儲密度，也發(fā)展MLC(多重單元)架構(gòu)

5、，F(xiàn)RAMFRAM存儲器存儲器FRAM (Ferroelectric RAM)鐵電存儲器的耗電量極低，可擦寫次數(shù)也無限大，F(xiàn)RAM的架構(gòu)為Perovskite結(jié)晶，最能代表鐵電存儲器的薄膜材料為PZT，位于結(jié)晶中心的鋯和鈦的原子會隨外部的電場變化位置，即使除去電性也能維持。FRAM由于在高密度的發(fā)展上不甚順利，所以目前許多廠商都先由嵌入式應(yīng)用切入，例如IC芯片卡，此類產(chǎn)品需求的存儲單元不大，但是FRAM的低耗電特性卻可以與其相得益彰，所以各類嵌入式應(yīng)用或許會成為FRAM未來主要的應(yīng)用市場。 MRAMMRAM存儲器存儲器MRAM (Magneto-resistive RAM)磁電阻式存儲器的技術(shù)

6、原理簡單的說就是利用電阻在磁場下的變化，磁電阻變化的比例越高，代表存儲元件的電子外圍發(fā)展技術(shù)越簡單并更具市場競爭性。 縱觀目前記錄媒體的物理讀寫機(jī)制可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)記錄密度達(dá)1000Gb/in2以上時，只有磁的讀寫物理極限還存在，MRAM因?yàn)椴捎么判圆牧蠟橛涗浢襟w，理論上有更高的記錄密度，而且讀和寫是用與DRAM相類似的機(jī)構(gòu)，因此不像需要讀寫頭的硬盤機(jī)來得復(fù)雜和精密。 OUMOUM存儲器存儲器OUM (Ovonic Unified Memory)相變存儲器是由Intel所提出的非揮發(fā)性存儲器技術(shù)，目前發(fā)展的狀況還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，其原理是利用Ge、Sb、Te等硫系化合物為材質(zhì)的薄膜來存儲資料，數(shù)據(jù)

7、存儲方式類似CD-ROM，利用溫度造成的相位變化來存儲數(shù)據(jù)。 OUM的優(yōu)點(diǎn)在于產(chǎn)品體積較小、成本低、可直接復(fù)寫且制程簡單，也就是在寫入數(shù)據(jù)的時候不用將舊有數(shù)據(jù)擦除，制程與現(xiàn)有半導(dǎo)體制程相近，惟讀寫速度和次數(shù)不如FRAM和MRAM；另外，如何穩(wěn)定維持其驅(qū)動溫度也是一個技術(shù)發(fā)的重點(diǎn)。 未來的存儲器未來的存儲器 從多角度來看存儲器或存儲元件，不難發(fā)現(xiàn)它是邏輯元件與感測元件之間的一種媒介，所以必須具有隨機(jī)存取的存儲功能才能支持系統(tǒng)間各種運(yùn)算與處理的作業(yè)；但是當(dāng)作業(yè)完成后還要具有寫入存儲的功能，以便把結(jié)果記錄下來，并作為下一次處理的依據(jù)，所以從長遠(yuǎn)動態(tài)的時間性來看，儲存元件仍是另一類型態(tài)的隨機(jī)存取媒介。

8、如果把存儲器分成揮發(fā)性和非揮發(fā)性兩種，顯然運(yùn)算處理中的系統(tǒng)并不需要太考慮斷電時存儲是否揮發(fā)掉，而必須以處理的速度和容量為主要考量。當(dāng)數(shù)據(jù)量越來越龐大，越來越復(fù)雜時，非揮發(fā)性的存儲器毋寧更能發(fā)揮關(guān)鍵性的力量。 不過，存儲器的中介性質(zhì)，從允許斷電時揮發(fā)或不揮發(fā)、暫存或不暫存，甚至只讀或不只讀，也更確認(rèn)所扮演的中間性角色。存儲器的技術(shù)和發(fā)展本身就是蘊(yùn)藏著無限的可能性；以下從五個方面介紹存儲器的特殊性、媒介性與功能作用，同時也希望據(jù)此對照出存儲器未來可發(fā)展的方向。 Flash RomFlash Rom基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識一、閃存簡介一、閃存簡介 Flash-ROM（閃存）已經(jīng)成為了目前最成功、流行的一種固

9、態(tài)內(nèi)存，與 EEPROM 相比具有讀寫速度快，而與 SRAM 相比具有非易失、以及價廉等優(yōu)勢。而基于 NOR 和 NAND 結(jié)構(gòu)的閃存是現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)。 Intel 于 1988 年首先開發(fā)出 NOR flash 技術(shù)，徹底改變了原先由 EPROM 和 EEPROM 一統(tǒng)天下的局面。緊接著，1989 年東芝公司發(fā)表了 NAND flash 技術(shù)（后將該技術(shù)無償轉(zhuǎn)讓給韓國Samsung公司），強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盤一樣可以通過接口輕松升級。 但是經(jīng)過了十多年之后，仍然有相當(dāng)多的工程師分不清 NOR 和 NAND 閃存，也搞不清楚 NAND 閃存技術(shù)相對于

10、 NOR 技術(shù)的優(yōu)越之處，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下閃存只是用來存儲少量的代碼，這時 NOR 閃存更適合一些。而 NAND 則是高資料存儲密度的理想解決方案。NOR 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行（XIP，eXecute In Place），這樣應(yīng)用程序可以直接在閃存內(nèi)運(yùn)行，不必再把代碼讀到系統(tǒng) RAM 中。NOR 的傳輸效率很高，在 14MB 的小容量時具有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NAND 結(jié)構(gòu)能提供極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度也很快，這也是為何所有的 U 盤都使用 NAND 閃存做為存儲介質(zhì)的原因。應(yīng)用 NAND 的困難在于閃存和需要特殊的系統(tǒng)接口

11、。 二、性能比較二、性能比較 閃存是非易失內(nèi)存，可以對稱為塊的內(nèi)存單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何閃存器件的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。 由于擦除NOR器件時是以64128KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間為5s，與此相反，擦除NAND器件是以832KB的塊進(jìn)行的，執(zhí)行相同的操作最多只需要4ms。 執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NAND 之間的性能差距，統(tǒng)計(jì)表明，對于給定的一套寫入操作（尤其是更新小文件時），更多的擦除操

12、作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲解決方案時，設(shè)計(jì)師必須權(quán)衡以下的各項(xiàng)因素。1) NOR的讀速度比NAND稍快一些。2) NAND的寫入速度比NOR快很多。3) NAND的4ms擦除速度遠(yuǎn)比NOR的5s快。大多數(shù)寫入操作需要先進(jìn)行擦除操作。4) AND的擦除單元更小，相應(yīng)的擦除電路更少。 三、接口差別三、接口差別 NOR 閃存帶有SRAM接口，有足夠的地址引腳來尋址，可以很容易地存取其內(nèi)部的每一個字節(jié)。NAND閃存使用復(fù)雜的I/O口來串行地存取資料，各個產(chǎn)品或廠商的方法可能各不相同。8個引腳用來傳送控制、地址和資料信息。NAND讀和寫操作采用512字節(jié)的塊，這一點(diǎn)有點(diǎn)像硬盤管理此

13、類操作，很自然地，基于NAND的閃存就可以取代硬盤或其它塊設(shè)備。 四、容量和成本四、容量和成本 NAND 閃存的單元尺寸幾乎是NOR閃存的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，NAND結(jié)構(gòu)可以在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了價格。NOR 閃存容量為11116MB閃存市場的大部分，而NAND 閃存只是用在8MB以上的產(chǎn)品當(dāng)中，這也說明NOR主要應(yīng)用在代碼存儲介質(zhì)中，NAND適合于資料存儲，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存儲卡市場上所占份額最大。 五、可靠性和耐用性五、可靠性和耐用性 采用閃存介質(zhì)時一個需要重點(diǎn)考慮的問題是可靠性。

14、對于需要擴(kuò)展MTBF的系統(tǒng)來說，閃存是非常合適的存儲方案。可以從壽命（耐用性）、位交換和壞塊處理三個方面來比較NOR和NAND的可靠性。壽命（耐用性）在NAND閃存中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而NOR的擦寫次數(shù)是十萬次。NAND內(nèi)存除了具有10：1的塊擦除周期優(yōu)勢，典型的NAND塊尺寸要比NOR器件小8倍，每個NAND內(nèi)存塊在給定的時間內(nèi)的刪除次數(shù)要少一些。位交換 所有閃存器件都受位交換現(xiàn)象的困擾。在某些情況下（很少見，NAND發(fā)生的次數(shù)要比NOR多），一個比特位會發(fā)生反轉(zhuǎn)或被報(bào)告反轉(zhuǎn)了。一位的變化可能不很明顯，但是如果發(fā)生在一個關(guān)鍵文件上，這個小小的故障可能導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。如果只是報(bào)告有

15、問題，多讀幾次就可能解決了。 當(dāng)然，如果這個位真的改變了，就必須采用錯誤探測/錯誤糾正（EDC/ECC）算法。位反轉(zhuǎn)的問題更多見于NAND閃存，NAND的供貨商建議使用NAND閃存的時候，同時使用EDC/ECC算法。這個問題對于用NAND存儲多媒體信息時倒不是致命的。當(dāng)然，如果用本地存儲設(shè)備來存儲操作系統(tǒng)、配置文件或其它敏感信息時，必須使用EDC/ECC系統(tǒng)以確保可靠性。 壞塊處理 NAND器件中的壞塊是隨機(jī)分布的。以前也曾有過消除壞塊的努力，但發(fā)現(xiàn)成品率太低，代價太高，根本不劃算。 NAND器件需要對介質(zhì)進(jìn)行初始化掃描以發(fā)現(xiàn)壞塊，并將壞塊標(biāo)記為不可用。在已制成的器件中，如果通過可靠的方法不能

16、進(jìn)行這項(xiàng)處理，將導(dǎo)致高故障率。 六、易于使用六、易于使用 可以非常直接地使用基于NOR的閃存，可以像其它內(nèi)存那樣連接，并可以在上面直接運(yùn)行代碼。由于需要I/O接口，NAND要復(fù)雜得多。各種NAND器件的存取方法因廠家而異。在使用NAND器件時，必須先寫入驅(qū)動程序，才能繼續(xù)執(zhí)行其它操作。向NAND器件寫入信息需要相當(dāng)?shù)募记?，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師絕不能向壞塊寫入，這就意味著在NAND器件上自始至終都必須進(jìn)行虛擬映像。 七、軟件支持七、軟件支持 當(dāng)討論軟件支持的時候，應(yīng)該區(qū)別基本的讀/寫/擦操作和高一級的用于磁盤仿真和閃存管理算法的軟件，包括性能優(yōu)化。在NOR器件上運(yùn)行代碼不需要任何的軟件支持，在NAND器件上進(jìn)行同樣操作時，通常需要驅(qū)動程序，也就是內(nèi)存技術(shù)驅(qū)動程序（MTD），NAND和NOR器件在進(jìn)行寫入和擦除操作時都需要MTD。 八、典型的八、典型的 NOR NOR 閃存（閃存（Strata FlashStrata Flash） Strata Flash是 Intel公司產(chǎn)的典型 Nor Flash， 本機(jī)使用的Strata Flash 是該系列中的 28F320J3，該閃存的內(nèi)部邏輯框圖如圖 ：它的特性如下：1) 問速度有 110ns/120ns 和150ns 共 3 檔2) 具備128bit 加密寄存器3) 塊尺寸：128KB 九、典型的九、典型的 NAND NAND 閃存（閃