摘要 主要介紹閃速存儲(chǔ)器的特點(diǎn)、技術(shù)分類及其發(fā)展趨勢(shì),其中包括閃速存儲(chǔ)器的制造工藝、供電、讀寫操作、擦除次數(shù)、功耗等性能比較。

　　關(guān)鍵詞 閃速存儲(chǔ)器 NOR技術(shù) DINOR技術(shù) NAND技術(shù) UltraNAND技術(shù)

一、  閃速存儲(chǔ)器的特點(diǎn)

　　閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）是一類非易失性存儲(chǔ)器NVM（Non-Volatile Memory）即使在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息；而諸如DRAM、SRAM這類易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時(shí)片內(nèi)信息隨即丟失。

　　Flash Memory集其它類非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)：與EPROM相比較，閃速存儲(chǔ)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)——在系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程，而不需要特殊的高電壓（某些代閃速存儲(chǔ)器也要求高電壓來(lái)完成擦除和/或編程操作）；與EEPROM相比較，閃速存儲(chǔ)器具有成本低、密度大的特點(diǎn)。其獨(dú)特的性能使其廣泛地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)，如PC及外設(shè)、電信交換機(jī)、蜂窩電話、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、儀器儀表和汽車器件，同時(shí)還包括新興的語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類產(chǎn)品，如數(shù)字相機(jī)、數(shù)字錄音機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理（PDA）。

二、  閃速存儲(chǔ)器的技術(shù)分類

　　閃速存儲(chǔ)器的主要供應(yīng)商有AMD、ATMEL、Fujistu、Hitachi、Hyundai、Intel、Micron、Mitsubishi、Samsung、SST、SHARP、TOSHIBA，由于各自技術(shù)架構(gòu)的不同，分為幾大陣營(yíng)。

1  NOR技術(shù)

NOR

　　NOR技術(shù)（亦稱為L(zhǎng)inear技術(shù)）閃速存儲(chǔ)器是早出現(xiàn)的Flash Memory，目前仍是多數(shù)供應(yīng)商支持的技術(shù)架構(gòu)。它源于傳統(tǒng)的EPROM器件，與其它Flash Memory技術(shù)相比，具有可靠性高、隨機(jī)讀取速度快的優(yōu)勢(shì)，在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場(chǎng)合，尤其是純代碼存儲(chǔ)的應(yīng)用中廣泛使用，如PC的BIOS固件、移動(dòng)電話、硬盤驅(qū)動(dòng)器的控制存儲(chǔ)器等。

　　NOR技術(shù)Flash Memory具有以下特點(diǎn)：（1）  程序和數(shù)據(jù)可存放在同一芯片上，擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和地址總線，能快速隨機(jī)讀取，允許系統(tǒng)直接從Flash中讀取代碼執(zhí)行，而無(wú)需先將代碼至RAM中再執(zhí)行；（2）  可以單字節(jié)或單字編程，但不能單字節(jié)擦除，必須以塊為單位或?qū)φ瑘?zhí)行擦除操作，在對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行重新編程之前需要對(duì)塊或整片進(jìn)行預(yù)編程和擦除操作。由于NOR技術(shù)Flash Memory的擦除和編程速度較慢，而塊尺寸又較大，因此擦除和編程操作所花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，在純數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)的應(yīng)用中，NOR技術(shù)顯得力不從心。不過(guò)，仍有支持者在以寫入為主的應(yīng)用，如CompactFlash卡中繼續(xù)看好這種技術(shù)。

　　Intel公司的StrataFlash家族中的成員——28F128J3，是迄今為止采用NOR技術(shù)生產(chǎn)的存儲(chǔ)容量的閃速存儲(chǔ)器件，達(dá)到128Mb（位），對(duì)于要求程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一芯片中的主流應(yīng)用是一種較理想的選擇。該芯片采用0.25μm制造工藝，同時(shí)采用了支持高存儲(chǔ)容量和低成本的MLC技術(shù)。所謂MLC技術(shù)（多級(jí)單元技術(shù)）是指通過(guò)向多晶硅浮柵極充電至不同的電平來(lái)對(duì)應(yīng)不同的閾電壓，代表不同的數(shù)據(jù)，在每個(gè)存儲(chǔ)單元中設(shè)有4個(gè)閾電壓（00/01/10/11），因此可以存儲(chǔ)2b信息；而傳統(tǒng)技術(shù)中，每個(gè)存儲(chǔ)單元只有2個(gè)閾電壓（0/1），只能存儲(chǔ)1b信息。在相同的空間中提供雙倍的存儲(chǔ)容量，是以降低寫性能為代價(jià)的。Intel通過(guò)采用稱為VFM（虛擬小塊文件管理器）的軟件方法將大存儲(chǔ)塊視為小扇區(qū)來(lái)管理和操作，在一定程度上改善了寫性能，使之也能應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中。

DINOR

　　DINOR(Divided bit-line NOR)技術(shù)是Mitsubishi與Hitachi公司發(fā)展的技術(shù)，從一定程度上改善了NOR技術(shù)在寫性能上的不足。DINOR技術(shù)Flash Memory和NOR技術(shù)一樣具有快速隨機(jī)讀取的功能，按字節(jié)隨機(jī)編程的速度略低于NOR，而塊擦除速度快于NOR。這是因?yàn)镹OR技術(shù)Flash Memory編程時(shí)，存儲(chǔ)單元內(nèi)部電荷向晶體管陣列的浮柵極移動(dòng)，電荷聚集，從而使電位從1變?yōu)?；擦除時(shí)，將浮柵極上聚集的電荷移開，使電位從0變?yōu)?。而DINOR技術(shù)Flash Memory在編程和擦除操作時(shí)電荷移動(dòng)方向與前者相反。DINOR技術(shù)Flash Memory在執(zhí)行擦除操作時(shí)無(wú)須對(duì)頁(yè)進(jìn)行預(yù)編程，且編程操作所需電壓低于擦除操作所需電壓，這與NOR技術(shù)相反。
盡管DINOR技術(shù)具有針對(duì)NOR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，但由于自身技術(shù)和工藝等因素的限制，在當(dāng)前閃速存儲(chǔ)器市場(chǎng)中，它仍不具備與發(fā)展數(shù)十年，技術(shù)、工藝日趨成熟的NOR技術(shù)相抗衡的能力。目前DINOR技術(shù)Flash Memory的容量達(dá)到64Mb。Mitsubishi公司推出的DINOR技術(shù)器件——M5M29GB/T320，采用Mitsubishi和Hitachi的BGO技術(shù)，將閃速存儲(chǔ)器分為四個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，在向其中任何一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行編程或擦除操作的同時(shí)，可以對(duì)其它三個(gè)存儲(chǔ)區(qū)中的一個(gè)進(jìn)行讀操作，用硬件方式實(shí)現(xiàn)了在讀操作的同時(shí)進(jìn)行編程和擦除操作，而無(wú)須外接EEPROM。由于有多條存取通道，因而提高了系統(tǒng)速度。該芯片采用0.25μm制造工藝，不僅快速讀取速度達(dá)到80ns，而且擁有先進(jìn)的省電性能。在待機(jī)和自動(dòng)省電模式下僅有033μW功耗，當(dāng)任何地址線或片使能信號(hào)200ns保持不變時(shí)，即進(jìn)入自動(dòng)省電模式。對(duì)于功耗有嚴(yán)格限制和有快速讀取要求的應(yīng)用，如數(shù)字蜂窩電話、汽車導(dǎo)航和定位系統(tǒng)、掌上電腦和頂置盒、便攜式電腦、個(gè)人數(shù)字助理、無(wú)線通信等領(lǐng)域中可以一展身手。

2  NAND技術(shù)

NAND

　　Samsung、TOSHIBA和Fujistu支持NAND技術(shù)Flash Memory。這種結(jié)構(gòu)的閃速存儲(chǔ)器適合于純數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件存儲(chǔ)，主要作為SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA ATA卡、固態(tài)盤的存儲(chǔ)介質(zhì)，并正成為閃速磁盤技術(shù)的。

　　NAND技術(shù)Flash Memory具有以下特點(diǎn)：（1）  以頁(yè)為單位進(jìn)行讀和編程操作，1頁(yè)為256或512B（字節(jié)）；以塊為單位進(jìn)行擦除操作，1塊為4K、8K或16KB。具有快編程和快擦除的功能，其塊擦除時(shí)間是2ms；而NOR技術(shù)的塊擦除時(shí)間達(dá)到幾百ms。（2）  數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實(shí)現(xiàn)串行讀取。隨機(jī)讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機(jī)編程。（3）  芯片尺寸小，引腳少，是位成本(bit cost)的固態(tài)存儲(chǔ)器，將很快突破每兆字節(jié)1美元的價(jià)格限制。（4）  芯片包含有失效塊，其數(shù)目可達(dá)到3~35塊（取決于存儲(chǔ)器密度）。失效塊不會(huì)影響有效塊的性能，但設(shè)計(jì)者需要將失效塊在地址映射表中屏蔽起來(lái)。

　　Samsung公司在1999年底開發(fā)出世界上顆1Gb NAND技術(shù)閃速存儲(chǔ)器。據(jù)稱這種Flash Memory可以存儲(chǔ)560張高分辨率的照片或32首CD質(zhì)量的歌曲，將成為下一代便攜式信息產(chǎn)品的理想媒介。Samsung采用了許多DRAM的工藝技術(shù)，包括首次采用0.15μm的制造工藝來(lái)生產(chǎn)這顆Flash。已經(jīng)批量生產(chǎn)的K9K1208UOM采用018μm工藝，存儲(chǔ)容量為512Mb。

UltraNAND

　　AMD與Fujistu共同推出的UltraNAND技術(shù)，稱之為先進(jìn)的NAND閃速存儲(chǔ)器技術(shù)。它與NAND標(biāo)準(zhǔn)兼容：擁有比NAND技術(shù)更高等級(jí)的可靠性；可用來(lái)存儲(chǔ)代碼，從而首次在代碼存儲(chǔ)的應(yīng)用中體現(xiàn)出NAND技術(shù)的成本優(yōu)勢(shì)；它沒有失效塊，因此不用系統(tǒng)級(jí)的查錯(cuò)和校正功能，能更有效地利用存儲(chǔ)器容量。

　　與DINOR技術(shù)一樣，盡管UltraNAND技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)，但在當(dāng)前的市場(chǎng)上仍以NAND技術(shù)為主流。UltraNAND 家族的個(gè)成員是AM30LV0064，采用0.25μm制造工藝，沒有失效塊，可在至少104次擦寫周期中實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)操作，適用于要求高可靠性的場(chǎng)合，如電信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、個(gè)人數(shù)字助理、固態(tài)盤驅(qū)動(dòng)器等。研制中的AM30LV0128容量達(dá)到128Mb，而在AMD的計(jì)劃中UltraNAND技術(shù)Flash Memory將突破每兆字節(jié)1美元的價(jià)格限制，更顯示出它對(duì)于NOR技術(shù)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

3  AND技術(shù)

　　AND技術(shù)是Hitachi公司的技術(shù)。Hitachi和Mitsubishi共同支持AND技術(shù)的Flash Memory。AND技術(shù)與NAND一樣采用“大多數(shù)完好的存儲(chǔ)器”概念，目前，在數(shù)據(jù)和文檔存儲(chǔ)領(lǐng)域中是另一種占重要地位的閃速存儲(chǔ)技術(shù)。

　　Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18μm的制造工藝，并結(jié)合MLC技術(shù)，生產(chǎn)出芯片尺寸更小、存儲(chǔ)容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用雙密度封裝技術(shù)DDP（Double Density Package Technology），將2片512Mb芯片疊加在1片TSOP48的封裝內(nèi)，形成一片1Gb芯片。HN29V51211T具有突出的低功耗特性，讀電流為2mA，待機(jī)電流僅為1μA，同時(shí)由于其內(nèi)部存在與塊大小一致的內(nèi)部RAM 緩沖區(qū)，使得AND技術(shù)不像其他采用MLC的閃速存儲(chǔ)器技術(shù)那樣寫入性能嚴(yán)重下降。Hitachi公司用該芯片制造128MB的MultiMedia卡和2MB的PC\|ATA卡，用于智能電話、個(gè)人數(shù)字助理、掌上電腦、數(shù)字相機(jī)、便攜式攝像機(jī)、便攜式音樂(lè)播放機(jī)等。

4  由EEPROM派生的閃速存儲(chǔ)器

　　EEPROM具有很高的靈活性，可以單字節(jié)讀寫（不需要擦除，可直接改寫數(shù)據(jù)），但存儲(chǔ)密度小，單位成本高。部分制造商生產(chǎn)出另一類以EEPROM做閃速存儲(chǔ)陣列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇區(qū)結(jié)構(gòu)閃速存儲(chǔ)器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存儲(chǔ)器（Data-Flash Memory）。這類器件具有EEPROM與NOR技術(shù)Flash Memory二者折衷的性能特點(diǎn)：（1）  讀寫的靈活性遜于EEPROM，不能直接改寫數(shù)據(jù)。在編程之前需要先進(jìn)行頁(yè)擦除，但與NOR技術(shù)Flash Memory的塊結(jié)構(gòu)相比其頁(yè)尺寸小，具有快速隨機(jī)讀取和快編程、快擦除的特點(diǎn)。（2）  與EEPROM比較，具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)。（3）  存儲(chǔ)密度比EEPROM大，但比NOR技術(shù)Flash Memory小，如Small Sector Flash Memory的存儲(chǔ)密度可達(dá)到4Mb，而32Mb的DataFlash Memory芯片有試用樣品提供。正因?yàn)檫@類器件在性能上的靈活性和成本上的優(yōu)勢(shì)，使其在如今閃速存儲(chǔ)器市場(chǎng)上仍占有一席之地。

　　Small Sector Flash Memory采用并行數(shù)據(jù)總線和頁(yè)結(jié)構(gòu)（1頁(yè)為128或256B），對(duì)頁(yè)執(zhí)行讀寫操作，因而既具有NOR技術(shù)快速隨機(jī)讀取的優(yōu)勢(shì)，又沒有其編程和擦除功能的缺陷，適合代碼存儲(chǔ)和小容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，廣泛地用以替代EPROM。

　　DataFlash Memory是ATMEL的產(chǎn)品，采用SPI串行接口，只能依次讀取數(shù)據(jù)，但有利于降低成本、增加系統(tǒng)的可靠性、縮小封裝尺寸。主存儲(chǔ)區(qū)采取頁(yè)結(jié)構(gòu)。主存儲(chǔ)區(qū)與串行接口之間有2個(gè)與頁(yè)大小一致的SRAM數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。特殊的結(jié)構(gòu)決定它存在多條讀寫通道：既可直接從主存儲(chǔ)區(qū)讀，又可通過(guò)緩沖區(qū)從主存儲(chǔ)區(qū)讀或向主存儲(chǔ)區(qū)寫，兩個(gè)緩沖區(qū)之間可以相互讀或?qū)?，主存?chǔ)區(qū)還可借助緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。適合于諸如答錄機(jī)、尋呼機(jī)、數(shù)字相機(jī)等能接受串行接口和較慢讀取速度的數(shù)據(jù)或文件存儲(chǔ)應(yīng)用。

三、  發(fā)展趨勢(shì)

　　存儲(chǔ)器的發(fā)展都具有更大、更小、更低的趨勢(shì)，這在閃速存儲(chǔ)器行業(yè)表現(xiàn)得尤為淋漓盡致。隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，主流閃速存儲(chǔ)器廠家采用018μm，甚至0.15μm的制造工藝。借助于先進(jìn)工藝的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)lash Memory的容量可以更大：NOR技術(shù)將出現(xiàn)256Mb的器件，NAND和AND技術(shù)已經(jīng)有1Gb的器件；同時(shí)芯片的封裝尺寸更小：從初DIP封裝，到PSOP、SSOP、TSOP封裝，再到BGA封裝，F(xiàn)lash Memory已經(jīng)變得非常纖細(xì)小巧；先進(jìn)的工藝技術(shù)也決定了存儲(chǔ)器的低電壓的特性，從初12V的編程電壓，一步步下降到5V、3.3V、27V、1.8V單電壓供電。這符合國(guó)際上低功耗的潮流，更促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品的發(fā)展。

　　另一方面，新技術(shù)、新工藝也推動(dòng)Flash Memory的位成本大幅度下降：采用NOR技術(shù)的Intel公司的28F128J3價(jià)格為25美元，NAND技術(shù)和AND技術(shù)的Flash Memory將突破1MB 1美元的價(jià)位，使其具有了取代傳統(tǒng)磁盤存儲(chǔ)器的潛質(zhì)。

　　世界閃速存儲(chǔ)器市場(chǎng)發(fā)展十分迅速，其規(guī)模接近DRAM市場(chǎng)的1/4，與DRAM和SRAM一起成為存儲(chǔ)器市場(chǎng)的三大產(chǎn)品。Flash Memory的迅猛發(fā)展歸因于資金和技術(shù)的投入，高性能低成本的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，刺激了Flash Memory更廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了行業(yè)的向前發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

1  設(shè)計(jì)存儲(chǔ)卡須作綜合考慮.電子設(shè)計(jì)技術(shù)

2  EPROM datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/EPROM_1128137.html.

3  SST datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/SST_1180824.html.

4  BGA datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/BGA_1071529.html.

5  What is Intel StrataFlash Memory? & Intel StrataFlash Memory Product Overview & The Datasheet of 28F128J3.www.intel.com

6  Mitsubishi Sgnificantly Expands BGO and Byte/Page Program Capability on 32Mbit DINOR Flash Memory & The Datasheet of M5M29GB/T320.www.mitsubishichips.com

7  Samsung Develops Worls’a First 1Gb Flash Memory Prototype & The Datasheet of K9K1208UOM.www.usa.samsungsemi.com

8  AMD Extends NAND Technoloty to Code Storage with 64Mbit Flash Memory & The Datasheet of Am30LV0064.www.amd.com

9  Hitachi Announces 128MByte MultiMediaCard and 2GByte PC-ATA Flash Card Utilizing A New 512Mbit AND-Type Flash Memory Component.semiconductor.hitachi.com

附表  閃速存儲(chǔ)器性能比較