存储器基础知识

1、 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

2、，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

3、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 。 成熟的成熟的FlashFlash存储器存储器 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 FlashNOR Flash存储器存储器 NOR

4、 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。 NANDNAND和和AND FlashAND Flash存储器存储器 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

5、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， FRAMFRAM存储器存储器 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

6、。 MRAMMRAM存储器存储器 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。 OUMOUM存储器存储器 OUM (Ovonic Unified Memory)相变存储器是由Intel所

7、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

8、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

9、对照出 存储器未来可发展的方向。 Flash RomFlash Rom基础知识基础知识 一、闪存简介一、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

10、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 14MB 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

11、。 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64128KB的块进 行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与

12、此相反， 擦除NAND器件是以832KB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、接口差别三、接口差别 NOR 闪存带有SRAM接口

13、，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11116MB闪存市场的大部分， 而NAND 闪存只是用在8MB以上的产品当中，

14、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

15、，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

16、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

17、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、典型的八、典型的 NOR NOR 闪存（闪存（Strata FlashStrata 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、典型的九、典型的 NAND N