NandFlash及相關技術說明

1、NAND Flash及相關技術說明及相關技術說明Contents 2. 關鍵關鍵技技術術 1. 綜綜述述 3. 技技術術展望展望 4. Q&A綜述v什什么么是是NAND Flash NAND Flash是一種非易失性存儲設備(Non-volatile Memory Device) ，與其類似的是NOR Flash。vNAND Flash種類種類 NAND Flash有兩種：SLC（Single Level Cell）和MLC（Multi Level Cell）。 SLC：單個存儲單元，只存儲一位數(shù)據，表示成1或0。 單個存儲單元中內部所存儲電荷的電壓和某個特定的閾值電壓V相比，如果大于

2、此V值，就是表示1，反之，就表示0。綜述vNAND Flash種類種類 MLC: 與SLC相對應，就是單個存儲單元，可以存儲多個位，比如2位，4位等。其實現(xiàn)機制就是通過控制內部電荷的多少，分成多個閾值，通過控制里面的電荷多少，而達到我們所需要的存儲成不同的數(shù)據。 NAND Flash和 NOR Flash寫入數(shù)據的過程，其實是放電的過程，即由10的過程。所謂的擦除，也即充電的過程，即由01的過程。正因為NAND Flash采用了塊擦除方式即同一物理塊同時充電的操作，提升了擦除的效率。Company Logo綜述vNAND Flash種類種類 優(yōu)缺點比較: 速度： SLC芯片理論速度為MLC的3

3、倍左右。 MLC芯片理論速度只能達到2MB/s左右。 （MLC芯片理論速度只有2MB/s左右，市面上存儲卡性能普遍高于此值，為什么？） 壽命： SLC芯片單個單元可以寫10萬次左右。 MLC芯片單個單元可以寫10萬次左右。綜述vNAND Flash種類種類 優(yōu)缺點比較: 成本： SLC芯片相對價格較高。 MLC芯片相對價格較低。 容量： SLC芯片容量偏小與成本相關聯(lián)。 MLC芯片容量可以支持大容量的市場需求。 所以，雖然MLC的各項指標都落后于SLC閃存，但是MLC在架構上取勝SLC，MLC肯定是今后的發(fā)展方向。綜述vNAND Flash結構結構 綜述v NAND Flash結構結構v一個N

4、AND Flash由很多個塊（Block）組成；v每個塊由很多頁（page）組成 ；v每一個頁，分為數(shù)據區(qū)和空閑區(qū)域（spare area）/冗余區(qū)域（redundant area），Linux內核中，稱之為OOB（Out Of Band）（為什么）；v一個NAND Flash由多個Plane組成（有什么作用？）綜述vNAND Flash管腳信管腳信號號 為何需要ALE和CLE ？綜述v NAND Flash優(yōu)優(yōu)缺點缺點優(yōu)點：vNAND的寫入速度快；vNAND的擦除速度快（1Mb擦除僅需700us）；vNAND支持大容量存儲（4GB、8GB or ）；vNAND成本低。綜述v NAND Fla

5、sh優(yōu)優(yōu)缺點缺點缺點：v寫入前需要擦除；v擦除次數(shù)有限（MLC 10萬次左右 ？）；vNAND存在位反轉的問題；vNAND存在壞塊，并且是隨機的，并且在使用中也會產生壞塊。關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v FTL（Flash Translation Layer） FTL實質上是一個LBAPBA的過程，目的是為了寫入數(shù)據時異地更新，提高寫入數(shù)據效率，保證使用壽命，并且在LBAPBA的過程中，會屏蔽壞塊，使得對于HOST端來說，看到的始終是連續(xù)的一塊地址空間。關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 典型FTL（基于Page映射）（drivers/mtd/ftl.c）關鍵技

6、術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 典型FTL缺點：v 基于頁映射，消耗SRAM空間， 例如：目前選用NAND 有4096 * 256頁，單頁映射需要4字節(jié)空間，共需4MB SARM空間。關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 典型FTL（基于Block映射）關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 典型FTL缺點：v 頻繁操作統(tǒng)一空間造成Merge次數(shù)過多，效率低下；v 映射粗放，容易造成碎片增多。關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 典型NFTL（基于Hybrid映射）（drivers/mtd/nftlcore.c & nftlmount.c

7、）關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 典型NFTL（基于Hybrid映射）（drivers/mtd/nftlcore.c & nftlmount.c ）關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 典型NFTL缺點：v 寫入數(shù)據和讀取數(shù)據效率與算法密切相關；v 致命問題：目前Flash對“隨機編程”支持有限。關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術v 基于Log的混合映射關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術ECC（Error Checking and Correction）糾錯v 硬件實現(xiàn)，主要有兩種算法:漢明碼 和 BCH；v ECC數(shù)據存儲在Spa

8、re區(qū)。磨損均衡算法v 基于確定的磨損均衡算法 記錄每塊擦除的次數(shù)，在分配新塊寫入數(shù)據時，選擇擦除次數(shù)最小的塊。 該算法優(yōu)點是能夠很好的控制每塊的寫入次數(shù)，達到較好的平衡。缺點是對于冷數(shù)據存儲的塊，很難進行有效的均衡處理關鍵技術vNAND Flash關鍵關鍵技技術術磨損均衡算法v 基于隨機的磨損均衡算法 隨機分配塊作為新數(shù)據寫入的塊。 該算法優(yōu)點是簡單。缺點是磨損效果隨機。v 基于混合的磨損均衡算法 記錄每塊的擦除次數(shù)，并且采取一定的策略，對冷數(shù)據進行適當?shù)奶幚?，將冷?shù)據所在塊釋放為空閑塊。技術展望v技技術術展望展望v 片選無關(CE dont-care)技術 由于某些外部應用的頻率比較低，而

9、NAND Flash內部操作速度比較快，所以具體讀寫操作的大部分時間里面，都是在等待外部命令的輸入， “不關心片選”技術，就是在NAND Flash的內部的相對快速的操作（讀或寫）完成之后，就取消片選。待下次外部命令/數(shù)據/地址輸入來的時候，再選中芯片，即可正常繼續(xù)操作了。主要目的是為了降低功耗。技術展望v技技術術展望展望v Copy-Back技術 簡單的說就是將一個頁的數(shù)據，拷貝到另一個頁。若沒有Copy-Back功能，那么正常的做法就是先要將頁數(shù)據拷貝出來放到內存的數(shù)據buffer中，再用寫命令將頁數(shù)據，寫到新的頁里面。 Copy-Back功能的好處在于，不需要用到外部的存儲空間，而是可以

10、直接讀取數(shù)據到內部的頁寄存器（page register）然后寫到新的頁里面去。同時為了保證數(shù)據的正確，要硬件支持EDC（Error Detection Code）的，否則，在數(shù)據的拷貝過程中，可能會出現(xiàn)錯誤，并且拷貝次數(shù)多了，可能會累積更多錯誤。技術展望v技技術術展望展望v 同時編程技術 支持同時對多個片進行編程，比如三星的K9K8G08U0A，內部包含4片(Plane)，分別叫做Plane0，Plane1，Plane2，Plane3。由于硬件上，對于每一個Plane，都有對應的大小是2048+64=2112字節(jié)的頁寄存器（Page Register），使得同時支持多個Plane編程成為可能。技術展望v技技術術展望展望v 交錯編程技術 多Plane同時編程，是針對一個chip里面的多個Plane來說的，而此處的交錯頁編程，是指對多個chip而言的。 可以先對chip1一頁進行編程，chip1內部就開始將數(shù)據寫到頁里面，處于忙的狀態(tài)，而此時可以利用這個時間，對出于就緒狀態(tài)的chip2也進行頁編程，發(fā)送對應的命令后，chip2內部開始寫數(shù)據到存儲單元里