快閃存儲(chǔ)器概述

快閃存儲(chǔ)器(英語：flash memory)，是一種電子式可清除程序化只讀存儲(chǔ)器的形式，允許在操作中被多次擦或?qū)懙拇鎯?chǔ)器。這種科技主要用于一般性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，以及在計(jì)算機(jī)與其他數(shù)字產(chǎn)品間交換傳輸數(shù)據(jù)，如儲(chǔ)存卡與U盤。閃存是一種特殊的、以宏塊抹寫的EPROM。早期的閃存進(jìn)行一次抹除，就會(huì)清除掉整顆芯片上的數(shù)據(jù)。

閃存是一種非易失性存儲(chǔ)器，即斷電數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。因?yàn)殚W存不像RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)一樣以字節(jié)為單位改寫數(shù)據(jù)，因此不能取代RAM。閃存卡(Flash Card)是利用閃存(Flash Memory)技術(shù)達(dá)到存儲(chǔ)電子信息的存儲(chǔ)器，一般應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)，掌上電腦，MP3等小型數(shù)碼產(chǎn)品中作為存儲(chǔ)介質(zhì)，所以樣子小巧，有如一張卡片，所以稱之為閃存卡。根據(jù)不同的生產(chǎn)廠商和不同的應(yīng)用，閃存卡大概有SmartMedia(SM卡)、Compact Flash(CF卡)、MultiMediaCard(MMC卡)、Secure Digital(SD卡)、Memory Stick(記憶棒)、XD-Picture Card(XD卡)和微硬盤(MICRODRIVE)這些閃存卡雖然外觀、規(guī)格不同，但是技術(shù)原理都是相同的。

NOR型與NAND型閃存的區(qū)別很大，打個(gè)比方說，NOR型閃存更像內(nèi)存，有獨(dú)立的地址線和數(shù)據(jù)線，但價(jià)格比較貴，容量比較小;而NAND型更像硬盤，地址線和數(shù)據(jù)線是共用的I/O線，類似硬盤的所有信息都通過一條硬盤線傳送一般，而且NAND型與NOR型閃存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型閃存比較適合頻繁隨機(jī)讀寫的場合，通常用于存儲(chǔ)程序代碼并直接在閃存內(nèi)運(yùn)行，手機(jī)就是使用NOR型閃存的大戶，所以手機(jī)的“內(nèi)存”容量通常不大;NAND型閃存主要用來存儲(chǔ)資料，我們常用的閃存產(chǎn)品，如閃存盤、數(shù)碼存儲(chǔ)卡都是用NAND型閃存。這里我們還需要端正一個(gè)概念，那就是閃存的速度其實(shí)很有限，它本身操作速度、頻率就比內(nèi)存低得多，而且NAND型閃存類似硬盤的操作方式效率也比內(nèi)存的直接訪問方式慢得多。因此，不要以為閃存盤的性能瓶頸是在接口，甚至想當(dāng)然地認(rèn)為閃存盤采用USB2.0接口之后會(huì)獲得巨大的性能提升。前面提到NAND型閃存的操作方式效率低，這和它的架構(gòu)設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)有關(guān)，它操作起來確實(shí)挺像硬盤(其實(shí)NAND型閃存在設(shè)計(jì)之初確實(shí)考慮了與硬盤的兼容性)，它的性能特點(diǎn)也很像硬盤：小數(shù)據(jù)塊操作速度很慢，而大數(shù)據(jù)塊速度就很快，這種差異遠(yuǎn)比其他存儲(chǔ)介質(zhì)大的多。這種性能特點(diǎn)非常值得我們留意。閃存存取比較快速，無噪音，散熱小。用戶空間容量需求量小的，打算購置的話可以不考慮太多，同樣存儲(chǔ)空間買閃存。如果需要容量空間大的(如500G)，就買硬盤，較為便宜，也可以滿足用戶應(yīng)用的需求。

要講解閃存的存儲(chǔ)原理，還是要從EPROM和EEPROM說起。EPROM是指其中的內(nèi)容可以通過特殊手段擦去，然后重新寫入。其基本單元電路(存儲(chǔ)細(xì)胞)，常采用浮空柵雪崩注入式MOS電路，簡稱為FAMOS。它與MOS電路相似，是在N型基片上生長出兩個(gè)高濃度的P型區(qū)，通過歐姆接觸分別引出源極S和漏極D。在源極和漏極之間有一個(gè)多晶硅柵極浮空在SiO2絕緣層中，與四周無直接電氣聯(lián)接。這種電路以浮空柵極是否帶電來表示存1或者0，浮空柵極帶電后(譬如負(fù)電荷)，就在其下面，源極和漏極之間感應(yīng)出正的導(dǎo)電溝道，使MOS管導(dǎo)通，即表示存入0。若浮空柵極不帶電，則不形成導(dǎo)電溝道，MOS管不導(dǎo)通，即存入1。EEPROM基本存儲(chǔ)單元電路的工作原理如下圖所示。與EPROM相似，它是在EPROM基本單元電路的浮空柵的上面再生成一個(gè)浮空柵，前者稱為第一級浮空柵，后者稱為第二級浮空柵?？山o第二級浮空柵引出一個(gè)電極，使第二級浮空柵極接某一電壓VG。若VG為正電壓，第一浮空柵極與漏極之間產(chǎn)生隧道效應(yīng)，使電子注入第一浮空柵極，即編程寫入。若使VG為負(fù)電壓，強(qiáng)使第一級浮空柵極的電子散失，即擦除。擦除后可重新寫入。閃存的基本單元電路，與EEPROM類似，也是由雙層浮空柵MOS管組成。但是第一層?xùn)沤橘|(zhì)很薄，作為隧道氧化層。

寫入方法與EEPROM相同，在第二級浮空柵加以正電壓，使電子進(jìn)入第一級浮空柵。讀出方法與EPROM相同。擦除方法是在源極加正電壓利用第一級浮空柵與源極之間的隧道效應(yīng)，把注入至浮空柵的負(fù)電荷吸引到源極。由于利用源極加正電壓擦除，因此各單元的源極聯(lián)在一起，這樣，快擦存儲(chǔ)器不能按字節(jié)擦除，而是全片或分塊擦除。 到后來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的改進(jìn)，閃存也實(shí)現(xiàn)了單晶體管(1T)的設(shè)計(jì)，主要就是在原有的晶體管上加入了浮動(dòng)?xùn)藕瓦x擇柵，在源極和漏極之間電流單向傳導(dǎo)的半導(dǎo)體上形成貯存電子的浮動(dòng)棚。浮動(dòng)?xùn)虐粚庸柩趸そ^緣體。它的上面是在源極和漏極之間控制傳導(dǎo)電流的選擇/控制柵。數(shù)據(jù)是0或1取決于在硅底板上形成的浮動(dòng)?xùn)胖惺欠裼须娮印Ｓ须娮訛?，無電子為1。閃存就如同其名字一樣，寫入前刪除數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化。具體說就是從所有浮動(dòng)?xùn)胖袑?dǎo)出電子。即將有所數(shù)據(jù)歸“1”。寫入時(shí)只有數(shù)據(jù)為0時(shí)才進(jìn)行寫入，數(shù)據(jù)為1時(shí)則什么也不做。寫入0時(shí)，向柵電極和漏極施加高電壓，增加在源極和漏極之間傳導(dǎo)的電子能量。這樣一來，電子就會(huì)突破氧化膜絕緣體，進(jìn)入浮動(dòng)?xùn)?。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，向柵電極施加一定的電壓，電流大為1，電流小則定為0。浮動(dòng)?xùn)艣]有電子的狀態(tài)(數(shù)據(jù)為1)下，在柵電極施加電壓的狀態(tài)時(shí)向漏極施加電壓，源極和漏極之間由于大量電子的移動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生電流。而在浮動(dòng)?xùn)庞须娮拥臓顟B(tài)(數(shù)據(jù)為0)下，溝道中傳導(dǎo)的電子就會(huì)減少。因?yàn)槭┘釉跂烹姌O的電壓被浮動(dòng)?xùn)烹娮游蘸螅茈y對溝道產(chǎn)生影響。