NAND Flash存储器与SSD简介

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应用趋势

NAND Flash应用类型以及发展趋势如下图,可以看出SSD的应用将会越来越广,尤其在NotebookUltrabook和企业级云存储数据中心中,SSD可以提供更高的带宽、更低功耗和较好的防震性能,目前的缺点是单位容量的成本过高。



企业级固态硬盘(SSD)与机械硬盘(HDD)带宽与成本比较,Delta(Item(SSD)-Item(HDD))/ Item(HDD)


存储原理

SLCMLC

通过控制CGControl Gate)电压,在MOS管的浮栅(Floating GateFG)中保存电子,使得栅源阈值电压Vth变大。电子数量不一样时,阈值电压不一样,因此在栅源之间加不同电压时漏极读到的电流大小不一样,因此可以根据阈值电压的不同,表示不同的信息。如下图,NAND 存储单元Cell可以分为SLCSingle Level Cell)和MLCMulti-Level Cell),最下小图为SLC,横轴表示阈值电压,纵轴表示该阈值电压的MOS管在Flash芯片中的数量分布,低电压的表示1,高的表示0MLC中阈值电压的范围分得更细,表示更多信息。


Flash存储结构

NAND芯片内部分为die, plane, block, page, die是晶圆上的小方块,一个芯片里可能封装若干个dieplaneNAND能够根据读、写、擦除等命令进行操作的最小单位,下图是Micron的某种NAND结构。



如下图,NAND 一个plane内部MOS阵列,MOS管的漏极BL=bit line,栅极 WL=word line,源极都连在一起,WL连接了若干个page,通过WL加不同电压和不同时间长度进行各种操作,在BL端进行读的操作。Bit Line对应的一串MOS叫做stringBlock的高度一般是一个string,但是很宽,很多个WL


Erase

如下图,擦除前,浮栅上有可能有电子,P well20V电压,经过足够时间后,由于量子隧道效应,电子从浮栅到沟道里面,完成一个block的擦除,阈值电压都变成了-VT,状态为“1”。一个die上的MOS管都是用一个Pwell,但是其它不用擦除的block,栅极电压是float,不会有隧道效应。


Program

如下图,Erase后所有的Cell阈值电压为-VTProgram时电压如下,要ProgramCell WL为高电压,BL=0V,由于量子隧道效应,电子从沟道到浮栅,成为“0”。不programcell BL2V,在沟道里的效应阻碍了量子隧道效应发生。


Read

要读的cell WL = 0V-Vt的管子导通,BL端的传感运放(Sense Amp)能够检测到,所以读到“1”,而经过program+Vt的管子不导通,Sense Amp读为“0”


Read Disturb

如上图,读的时候其他WL5V,时间长了之后,也会发生量子隧道效应,因为量子效应是概率性的发生,电压高则发生的概率大,数量多,电压低发生的概率低,数量小。在5V的电压下,经过长时间的作用,依然有可能发生电子隧道跃迁到浮栅,积累到一定程度,达到“0”的电压。这种现象叫Read Disturb,一个WL读多了,即一个page读多了,会对同一个block的其他page产生影响,所以需要记录读的次数,到一定数量之后,需要重新读出并写入以保证数据正确。

Reference

Inside NAND Flash Memories, Rino Micheloni, Luca Crippa, Alessia Marelli, Springer, 2010

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