在Flash Memory技術中,顆粒將分為3種:
SLC = Single-Level Cell ,即1bit/cell,速度快壽命長,價格超貴(約MLC 3倍以上的價格),約10萬次讀寫壽命
MLC =Multi-Level Cell,即2bit/cell,速度一般壽命一般,價格一般,約3000---10000次讀寫壽命。此為43奈米製程
TLC = Triple-Level Cell,即3bit/cell,也有Flash廠家叫8LC,速度慢壽命短,價格便宜,約500次讀寫壽命,技術還在逐漸成長中。此為32/35奈米製程(因35奈米製程無法使用在MicroSD中,故目前已逐漸轉為32奈米製程)
Flash Memory記憶媒體技術
Flash Memory的工作原理:
Flash Memory的物理結構稱為cell(位元),為何記憶體可提供讀、寫及抹除的效果
因為在Flash Memory中有一般Mos的Gate(閘極)和Gate Oxide(氧化層之絕緣)
而在其中的Control Gate(控制閘)和其他的Gate中卻多了一層物質,稱為Floating Gate(浮閘)
因有這層浮閘,Flash Memory才可以完成讀、寫及抹除的效果
就算Flash Memory在沒有過電的狀態下,也可以透過這層浮閘,來保存資料的完整性
而Flash Memory能夠重複讀寫的原因,是因浮閘中被注入或移除負電子的原理
當浮閘被注入負電子時,在位元中1就會變成0(電子的產品只有0與1兩個數字來分別),此時就為寫入
相對的,當負電子被從浮閘移除後,位元也就從0變回1了,此過程就稱為抹除
Flash Memory是用Gate端儲存的電壓來儲存資料
每個Cell理所儲存的bit愈多,代表Gate電壓必須可以區分的更細
Gate儲存的電子可能跑掉,電壓逐漸下降, 就可能讓資料錯誤,所以可靠度(寫入次數/保存期限) SLC > MLC > TLC
速度上也以SLC的速度比較快,只是相同容量來比,SLC比較貴
目前的記憶卡,已經逐漸轉為Class 2&4製程(每秒最低速度2MB/sec & 4MB/sec)
因廠商已逐漸轉往TLC發展,且TLC上不了Class 6的速度,且Class 6的IC顆粒價格偏高,更因TLC效能不佳,而無法進入高階市場
TLC與MLC相比,雖然TLC有成本上的優勢,但卻更需要更準確及複雜的控制晶片來確保資料的完整性及保存性
目前所有大廠(包括-三星SamSung/東芝Toshiba/海力士Hynix)都已逐漸轉往TLC發展,所以只能說TLC是未來的趨勢
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快閃記憶體(無論是NOR型或NAND型)是舛岡富士雄博士在1984年於東芝公司工作時發明的。 據東芝表示快閃記憶體的 「Flash」 是舛岡博士的同事所持有泉建議的。因為這種記憶體的抹除流程讓他想起了相機的閃光燈。舛岡博士在1984年的加州舊金山IEEE國際電子元件大會(International Electron Devices Meeting, IEDM)上發表了這項發明。Intel看到了這項發明的巨大潛力,並於1988年推出第一款商業性的NOR Flash晶片。
NOR Flash需要很長的時間進行抹寫,但是它提供完整的定址與資料匯流排,並允許隨機存取記憶體上的任何區域,這使的它非常適合取代老式的ROM晶片。當時ROM晶片主要用來儲存幾乎不需更新的程式碼,例如電腦的BIOS或機上盒(Set-top Box)的韌體。NOR Flash可以忍受一萬到一百萬次抹寫循環,它同時也是早期的可移除式快閃儲存媒體的基礎。CompactFlash本來便是以NOR Flash為基礎的,雖然它之後跳槽到成本較低的 NAND Flash。 東芝在1989年的國際固態電路學會(ISSCC)上發表了NAND Flash。NAND Flash具有較快的抹寫時間, 而且每個儲存單元的面積也較小,這讓NAND Flash相較於NOR Flash具有較高的儲存密度與較低的每位元成本。同時它的可抹除次數也高出NOR Flash十倍。然而NAND Flash 的I/O介面並沒有隨機存取外部定址匯流排,它必須以區塊性的方式進行讀取,NAND Flash典型的區塊大小是數百至數千位元。
因為多數微處理器與微控制器要求位元組等級的隨機存取,所以NAND Flash不適合取代那些用以裝載程式的ROM。從這樣的角度看來,NAND Flash比較像光碟、硬碟這類的次級儲存裝置。NAND Flash非常適合用於記憶卡之類的大量儲存裝置。第一款建立在NAND Flash基礎上的可移除式儲存媒體是SmartMedia,此後許多儲存媒體也跟著採用NAND Flash,包括MultiMediaCard、Secure Digital、Memory Stick與xD卡。
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簡單來說,快閃記憶體是以電荷作用為存儲媒介。電子存儲於懸浮的、與周圍絕緣的閘極上,也就是在控制閘(Control gate)與通道間卻多了一層物質,稱之為懸浮閘極(floating gate)。通常,懸浮閘極與一控制閘極或字線(word line)通過電容耦合,以便在編程、清除及讀出操作時對懸浮閘極上的有效電壓進行控制。懸浮閘極上的電荷決定了下層電晶體的閥值電壓。簡單的說,由於懸浮閘極的物理特性與結構,使得當它被注入負電子時,儲存狀態就由”1”被寫成”0”,相對的,當負電子從浮閘中移走後,儲存狀態就由”0”變成”1”。
關於電荷的生成和存儲有多種實現方法。其中一種為“通道熱電子編程(CHE)”,為目前使用最為廣泛的編程方法。在該方法中,單元電晶體通過施加於其控制閘極上的高電壓被切換導通,同時利用施加於汲極(drain)上的一個中間水平電壓而形成從源極至汲極的電場,使電子獲得加速,這就形成了“熱”電子。
熱電子受控制閘極電勢所形成的垂直電場吸引,被拉向懸浮閘極。簡單的說,就是將在通道中的負電子加速自通道上跳到懸浮閘極中,以完成寫的動作。同樣原理可以運用在抹除的功能上,當控制閘接地且源極接至一個高壓時,浮閘上的負電子將會自浮閘中拉至源極,進而完成抹除的動作。
另一種編程方法為Fowler-Nordheim(FN)通道法。它是在一氧化薄層兩側施加高電壓。高電壓將形成高強度電場,幫助電子穿越氧化層通道、達到懸浮閘極。總之,快閃記憶體就是透過這種負電子存放或移除於浮閘的原理,使得本身具有重複讀寫的特性。
除了直接描述快閃記憶體的儲存原理之外,或許我們還可以透過另一種方式來理解快閃記憶體,就是藉著與其他儲存技術的相比,來描繪快閃記憶體的某些特性。
與不同記憶體技術的比較
首先是與動態隨機存取記憶體(DRAM)來比較,從結構上來比較快閃記憶體與DRAM,簡言之,快閃記憶體外側的絕緣體可以將電子困在結構內部,即使失去電源供應,電子也不會衝出結構之外,因此資料仍然可以在無電源供應的情況下保留。而DRAM的原理就是個充放電的電容,一失去電源的供應,就處於放電的狀態,電子衝出結構之外,資料也就無法保存。因此,在特性上,DRAM屬於揮發性記憶體,為了維持記憶狀態,必須維持供電。如果將它應用在攜帶式裝置,並且用來儲存資料,就必須另外內建備用電池隨時供電,也就是這個原因,使得快閃記憶體比它更適合用在攜帶式裝置上。
與另一種記憶體技術─唯讀記憶體ROM相比,唯讀記憶體同樣具有非揮發性,也屬於高密度,但遜色於快閃記憶體的地方在於無法重複讀寫,因此通常侷限在程式的儲存。之後的EPROM(Electrically Programmable Read-Only Memory)改善了唯讀記憶體無法重新寫入的缺點,EPROM在寫入之後,仍然可以透過紫外線的清除再重新寫入。
之後的EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)可說是快閃記憶體的前身,同樣屬於非揮發性,在寫入之後也如同快閃記憶體,可以透過電來清除,再利用微控制器寫入。但是與後來的快閃記憶體相比,EEPROM的缺點在於一方面容量不大,另一方面由於它的記憶讀寫方式是採取按位元組紀錄的方式,而快閃記憶體則是採取按記憶區段紀錄的方式來讀寫資料,因此速度上比不上快閃記憶體。
再讓我們回到快閃記憶體。
NOR型與NAND型快閃記憶體的差別
目前快閃記憶體業界中已有多種類型的單元,每種都有不同的編程機制與清除機制的組合。最普遍的主要是單電晶體NOR型單元。另一種為NAND型單元。多數NOR單元採用CHE編程和FN擦除法,優點在於速度和快速的編程,缺點是需要閥值電壓來控制被清除的單元。這一點相當重要,因為如果一個單元清除過快,它可能被耗盡(depleted),這意味著無法對單元再進行選擇和選擇解除,該單元電晶體將一直導通,並妨礙單元陣列的整體功能。
為防止過度清除,需要採用一種特殊的算法來恢復過度清除的單元。這增加了記憶體控制的複雜性,並在清除中需要更多的時間。NOR型快閃記憶體的特點在於速度較快,但容量較小,一般用來儲存程式碼,多半應用於PC、通訊行動電話、PDA、STB等產品上。
NAND單元區別於NOR的地方在於其單元電晶體的序列性切換(series switching)。這種方法可以增加單元密度,但降低了讀出與編程性能。讀出方面是由於單元的序列性切換,而編程方面則是由於FN慢於CHE。這種產品對密度要求較高,而性能不是最重要,通常用於存儲資料。總之,NAND型快閃記憶體的特點又在於容量大、但速度較慢,一般用來儲存資料,主要應用在數位相機、數位攝影機、MP3等所需要的各式規格的小型記憶卡。
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快閃記憶體(Flash Memory)的技術特性
快閃記憶體(Flash Memory)是非掉電易失性記憶體的一種,具有關掉電源仍可保存資料的優點,同時又具備掉電易失性記憶體可重複讀寫且讀寫速度快、單位元體積內可儲存最多資料量,以及低功耗特性等優點。快閃記憶體是電子可擦除唯讀記憶體(EEPROM)的變種,EEPROM與快閃記憶體不同的是,它能在位元組水準上進行刪除和重寫而不是整個晶片擦寫,這樣快閃記憶體就比EEPROM的更新速度快。由於其斷電時仍能保存資料,快閃記憶體通常被用來保存設置資訊,如在電腦的BIOS、PDA、數碼相機中保存資料等。另一方面,快閃記憶體不像RAM以位元組為單位改寫資料,因此不能取代RAM。近年來由於手機、PDA、MP3、DSC等應用系統的帶動,Flash Memory的需求量和容量也有了跳躍式的成長。
Flash Memory的標準物理結構,稱之為基本位元(cell);一般MOS閘極(Gate)和通道的間隔為氧化層之絕緣(gate oxide),而Flash Memory的特色是在控制閘(Control gate)與通道間多了一層稱為“浮閘”(floating gate)的物質。借助這層浮閘,使得Flash Memory可快速完成讀、寫、抹除等三種基本操作模式;就算在不提供電源給記憶體的環境下,也能透過此浮閘,來保存資料的完整性。
Flash Memory晶片中單格裏的電子可以被帶有更高電壓的電子區還原為正常的Flash Memory採用內部閉合電路,這樣不僅使電子區能夠作用於整個晶片,還可以預先設定“區塊”(Block)。在設定區塊的同時就將晶片中的目標區域擦除乾淨,以備重新寫入。傳統的EEPROM晶片每次只能擦除一個位元組,而Flash Memory每次可讀寫一塊或整個晶片。Flash Memory的工作速度大幅領先於傳統EEPROM晶片。
從技術層面看,根據記憶體電晶體設計架構之不同可分為Cell Type以及Operation Type兩種,後者依功能別又可區分為Code Flash(儲存程式碼)以及Data Flash(儲存一般資料);其中Code Flash驅動方式有NOR及DINOR,而Data Flash的驅動方式則有NAND及AND。
NOR型與NAND型快閃記憶體的區別很大,打個比方說,NOR型快閃記憶體更像記憶體,有獨立的位址線和資料線,但價格比較貴,容量比較小;而NAND型更像硬碟,位址線和資料線是共用的I/O線,類似硬碟的所有資訊都通過一條硬碟線傳送一般,而且NAND型與NOR型快閃記憶體相比,成本要低一些,而容量大得多。因此,NOR型快閃記憶體比較適合頻繁隨機讀寫的場合,通常用於存儲程式碼並直接在快閃記憶體內運行,手機就是使用NOR型快閃記憶體的大戶,所以手機的“記憶體”容量通常不大;NAND型快閃記憶體主要用來存儲資料,我們常用的快閃記憶體產品,如快閃記憶體盤、數碼存儲卡都是用NAND型快閃記憶體。
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