如何為系統選擇合適的NAND快閃記憶體?

2020-12-06 EDN電子設計技術

NAND快閃記憶體是一種大眾化的非易失性存儲器，主要是因為小型，低功耗且堅固耐用。 儘管此技術適合現代存儲，但在將其列入較大系統的一部分時，需要考慮許多重要特性。 這些特性適用於所有類型的存儲，包括耐用性，密度，性能，每千兆字節價格，錯誤概率和數據保留。SMxednc

快閃記憶體概述

快閃記憶體單元由修改的場效應電晶體（FET）組成，在控制柵極和通道之間的絕緣層中具有額外的「浮置」柵極。 通過施加高壓將電荷注入到浮柵上（或從浮柵上去除）。 這會改變打開電晶體所需的柵極電壓，該電壓代表存儲在單元中的值。 這些單元的陣列構成一個塊，整個存儲器由多個塊組成。SMxednc

由於浮柵完全被絕緣層包圍，因此即使斷電，也會保留存儲的數據。SMxednc

NAND快閃記憶體單元圖（在Hyperstone Youtube頻道上有詳細說明）SMxednc

快閃記憶體陣列的簡化圖。 黃色框突出顯示die，淺灰色為plane，深藍色為塊，淺藍色框則為page。 該圖僅用於可視化層次結構，而不能按比例繪製。 （Hyperstone Youtube頻道有更加詳細說明）SMxednc

NAND快閃記憶體的關鍵挑戰是管理使用可用頁面寫入數據的方式。 在將新數據寫入頁面之前，必須先擦除該頁面。 但是，只能擦除包含許多頁面而不是單個頁面的整個塊。 此過程很複雜，由單獨的設備（稱為快閃記憶體控制器）進行管理。 控制器需要做大量工作才能最有效地利用快閃記憶體：管理數據的存儲位置和塊的重複使用方式。SMxednc

快閃記憶體編程和耐久性

每次對單元進行編程和擦除時，浮柵下的絕緣層都會受到輕微損壞，從而影響存儲單元的可靠性。 每個單元具備有限的保證編程擦除周期數量，這被稱為持久性。 這種耐久性可有效測定存儲器的壽命。 憑藉快閃記憶體控制器，可以通過仔細管理塊的使用方式，達到最大限度化提高有限的耐用性，以確保它們均被平等地使用。 這是由快閃記憶體應用的一種技術，稱為損耗平衡。儘可能減少開銷量也很重要，從而達到寫入放大。SMxednc

內存的壽命也可以通過預留空間來延長，這會減少用戶可見的內存並增加備用內存。 額外的容量在應用損耗均衡時提供更多靈活性，因為冗餘容許有些塊無法用超出容量的塊來取代。 但是，由於增加冗餘塊會降低有效存儲容量，因此反過來會增加每位的有效成本。SMxednc

增加存儲密度

選擇存儲技術時，考慮的主因之一是管理每GB的成本。 矽晶片的製造成本幾乎完全取決於面積，而不是功能。 因此，可以通過提供特定容量所需的面積來降低每GB快閃記憶體的成本。最可行的辦法是通過轉往更小的製造工藝來減小存儲單元的尺寸。 但是，快閃記憶體的物理性質限制了這種縮放比例，因此快閃記憶體供應商已轉向其他方法來提高密度。SMxednc

第一步是在每個存儲單元中存儲兩位而不是一個位。 這就是所謂的多級單元（MLC）快閃記憶體。 從那時起，已經製造出在三級單元（TLC）中存儲三位並且在四級單元（QLC）中存儲四位的快閃記憶體。 內存的原始類型現在稱為單級單元（SLC）。SMxednc

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權衡利弊

以下特性在SLC，MLC，TLC和QLC NAND快閃記憶體之間有所不同。SMxednc

耐力：單個單元在變得不可靠之前可以寫入的P / E周期數。 由於存儲多個位的單元使用與存儲單個位的單元相同的生產過程來製造，因此讀取餘量較小。 這使得讀取真實電壓電平更加困難，從而導致較高的讀取錯誤率。SMxednc

密度：隨著每個單元中存儲更多位，總體位密度相應增加。 由於MLC，TLC和QLC存儲器通常是在功能更小，功能更現代的工藝上製造的，因此可以進一步提高這一點。SMxednc

性能：隨著單元中存儲的級別越來越多，編程複雜性也隨之增加。 同樣，在讀取時，可能需要對輸出進行多次採樣才能獲得正確的數據。 SLC存儲器具有最簡單的編程過程，電壓水平相距較遠，因此更容易區分它們。 因此， SLC通常比MLC具有更快的讀寫性能。SMxednc

每GB的價格：由於QLC快閃記憶體的密度最高，因此每GB的價格最低。 增加密度所帶來的收益可能會因為需要更高級別的超額配置來彌補耐久力降低而略有抵消。SMxednc

錯誤概率：如果將多個位存儲在一個單元中，則讀取存儲值時出錯的可能性更大。 這增加了存儲器的原始錯誤率。 這可以通過更複雜的糾錯方法來補償，因此不必直接轉換為系統看到的錯誤。SMxednc

數據保留：快閃記憶體在不通電時能夠隨著時間的推移保持存儲數據完整性的能力。 每次寫入快閃記憶體單元時（一個P/E周期），該單元的氧化層都會稍微退化，並且該單元保留數據的能力會降低。SMxednc

 下表總結這些大概要意。SMxednc

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NAND快閃記憶體被用來作為包括SSD，USB驅動器和SD卡等許多類型的存儲產品的主要部分。 為了滿足客戶在價格，性能和可靠性方面的期望，上述每個特性之間都要進行權衡。SMxednc

該選擇還可以取決於存儲單元正在與之通信的應用程式或主機。 例如，應用程式的存取模式各不相同：有些可能會進行大量隨機讀寫，有些可能會更多地依賴大型順序寫入，例如 視頻錄製。 還有諸如溫度之類的外部因素，它們可以改變存儲單元的行為。 快閃記憶體控制器在管理內存中的數據時需要能夠考慮這些所有因素。 Hyperstone快閃記憶體控制器中的固件可以針對特定用例進行微調。SMxednc

在設計使用NAND快閃記憶體的系統時，選擇適當的特性平衡非常重要。 快閃記憶體控制器還必須足夠靈活，以進行適當的權衡。 選擇正確的快閃記憶體控制器對於確保快閃記憶體滿足產品要求至關重要。SMxednc

責編：Amy GuanSMxednc

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