当前位置：首页 > news >正文

什么是NAND Flash？

news 2025/8/10 9:14:25

什么是NAND Flash?

NAND闪存是一种非易失性存储器技术，它彻底改变了数字时代的数据存储。它是闪存的一种形式，这意味着它可以被电擦除和重新编程。NAND闪存以NAND（NOT-AND）逻辑门命名，该逻辑门用于其基本架构。术语“NAND”源自存储单元以串联连接结构的方式组织，类似于NAND门。该技术广泛用于各种存储设备，例如固态硬盘（SSD）、USB 闪存驱动器、存储卡和智能手机。
在这里插入图片描述
(左图）NAND闪存阵列的示意图。串联连接的器件的垂直string经由由drain select line（DSL）和source select line（SSL）驱动的选择晶体管附接到bitlines 和 sourceline；
(右图)阵列沿着WL方向（a）和串方向（b）的示意性横截面（绿色＝硅，红色＝浮栅，红色＝WL，白色＝氧化硅）。（c）显示了具有基本单元(虚线)的阵列布局

NAND Flash主要特点

存储单元结构

NAND Flash存储器的基本存储单元是浮栅晶体管。这些晶体管可以存储一位信息（0或1），多个晶体管组合在一起形成存储单元。

存取方式

NAND Flash允许随机访问，但通常以页为单位进行读取和写入操作。擦除操作则以块为单位进行。

写入和擦除周期

NAND Flash可以经受数万到数十万次的写入和擦除周期，但它的寿命通常比NOR Flash要短。

速度

NAND Flash的读写速度通常比NOR Flash快，这使得它更适合用于大量数据的存储。

成本

由于结构相对简单，NAND Flash的单位存储成本较低，因此在大容量存储应用中更具成本效益。

错误率

NAND Flash比其他类型的存储器更容易出现位错误，因此通常需要错误校正码（ECC）来确保数据的完整性。

接口

NAND Flash设备通常通过I/O接口与控制器通信，支持多种接口标准，如ONFI（Open NAND Flash Interface Working Group）和Toggle Mode。

应用

由于其高存储密度和成本效益，NAND Flash在消费电子、企业存储解决方案和嵌入式系统中得到了广泛应用。

NAND Flash工作原理

NAND Flash 的存储单元是一种三端器件，与场效应管类似，包含源极、漏极和栅极，栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用于保护浮置栅极中的电荷不会泄漏，从而使存储单元具有电荷保持能力。其擦除和写入数据基于隧道效应，即电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）。
NAND Flash 通过在存储单元中存储电荷来表示数据。每个存储单元可以存储一个或多个比特的数据。在写入数据时，电子被注入到存储单元中；在读取数据时，通过检测存储单元中的电荷状态来确定存储的数据。擦除数据时，通过施加高电压将存储单元中的电荷释放掉。

NAND Flash基于浮栅晶体管，浮栅晶体管排列成网格状阵列。每个晶体管有两个栅极：一个控制栅极和一个浮动栅极。浮动栅极由氧化层电隔离，使其能够捕获电子。浮栅上电子的存在与否决定了存储单元的二进制状态，代表“0”或“1”。

读取数据
为了从NAND闪存单元读取数据，需要向控制门施加电压。如果浮栅上存在电子，晶体管将不会传导电流，表示“0”状态。如果浮栅为空，晶体管将传导电流，表示“1”状态。

写入和擦除数据
将数据写入NAND闪存单元涉及称为Fowler-Nordheim隧道的过程。对控制栅极施加高压，使电子穿过氧化层并进入浮栅，将cell设置为“0”状态。擦除数据涉及在相反方向上施加高压，从而从浮栅中去除电子，使cell回到“1”状态。

NAND闪存架构

NAND Flash 的数据是以位（bit）的方式保存在存储单元（memory cell）中，多个存储单元以 8 个或 16
个为单位连成位线（bit line），形成字节（byte）或字（word），这就是 NAND 器件的位宽。

这些位线再组成页（page），每页包含一定数量的字节，通常还有一部分额外的空间用于存储纠错码等信息。多个页又组成块（block）。NAND Flash 以页为单位进行读写操作，以块为单位进行擦除操作。

NAND闪存单元组织在一个串联的字符串中，称为NAND字符串。多个NAND串形成一个块，多个块形成一个平面。NAND闪存芯片由一个或多个平面组成。这种分层结构可实现高存储密度和快速读写操作。

NAND闪存根据每个存储单元存储的位数可分为两种主要类型：

Single-Level Cell（SLC）

每个存储单元存储一位数据，表示“0”或“1”。与 MLC 相比，SLC NAND 闪存提供更快的读写速度、更高的耐用性和更低的功耗。

Multi-Level Cell（MLC）

每个存储单元使用多个电压电平存储两个或更多位数据。与 SLC 相比，MLC NAND 闪存可实现更高的存储密度和更低的每比特成本，但代价是读取和写入速度较慢，耐久性降低。

NAND Flash发展历程

诞生阶段（20 世纪 80 年代）：

1987 年，时任日本东芝公司工程师岡本成之提出了 2D NAND 技术，这是 NAND Flash 的起源。当时，东芝虽然占据了市场先机，但战略重心偏向 DRAM 市场，一定程度上忽略了 NAND Flash 的发展潜力。随后，英特尔和三星等公司也迅速加入该领域，推出了自己的 2D NAND 产品。在这一阶段，NAND Flash 主要应用于一些特定的电子设备，如数字电话答录机等。

小型闪存卡兴起阶段（20 世纪 90 年代 - 21 世纪初）：

随着数码摄影的普及，一系列小型闪存卡应运而生，包括 PCMCIA（PC 卡）、CompactFlash、SmartMedia、MultiMediaCard（MMC）和 SecureDigital（SD）卡等，这些小型闪存卡的存储介质主要是 NAND Flash。这使得 NAND Flash 的应用范围得到了极大的扩展，市场需求也开始快速增长。

市场扩张阶段（21 世纪初 - 2010 年代）：

随着 NAND Flash 成本的不断降低，其应用范围进一步扩大。从数码相机扩展到了 USB 闪存驱动器，进而取代了软盘和可写 CD 等传统存储设备。同时，音频播放设备从传统的磁带和 CD 播放器转变为 MP3 播放器，也推动了 NAND Flash 的需求增长。在这一时期，NAND Flash 逐渐成为了主流的存储技术之一，市场规模不断扩大。

3D NAND 技术发展阶段（2010 年代 - 至今）：

技术概念
提出 2007 年，东芝推出 BICS 类型的 3D NAND，标志着 NAND Flash技术从二维平面堆叠向三维立体堆叠的转变。这种技术通过在垂直方向上堆叠存储单元，大大提高了存储密度，为 NAND Flash的进一步发展提供了新的方向。

商业化量产
2013 年，三星推出第一代 V-NAND（三星自称 3D NAND 为 V-NAND）闪存并投入量产，虽然该款堆叠层数仅为
24 层，但在当时却打破了平面技术的瓶颈，并使 3D NAND 从技术概念推向了商业市场。

层数不断增加
从 2014 年开始，各大厂商纷纷推出更高层数的 3D NAND 产品。例如，三星陆续推出了 32 层、48 层、64层、96 层、128 层、176 层等不同层数的 V-NAND；SK 海力士按照 48 层、72 层 / 76 层、96 层、128 层、176 层、238 层的顺序陆续推出闪存新产品；美光也在不断提高其 3D NAND 的层数。