半导体代码801081和880490 科技简章032-半导体存储器闪存

Flash存储器大家应该是很熟悉了，我们通常用的固态硬盘、U盘以及手机里面的ROM就是这个类别中的NAND Flash，接下来我们就来聊聊关于半导体代码801081和880490 科技简章032-半导体存储器闪存?以下内容大家不妨参考一二希望能帮到您!

半导体代码801081和880490 科技简章032-半导体存储器闪存

Flash存储器大家应该是很熟悉了，我们通常用的固态硬盘、U盘以及手机里面的ROM就是这个类别中的NAND Flash。

Flash通常被我们称为闪存，属于非易失性存储器中，非易失性存储就是在掉电的情况下数据仍然被保持的存储器。

从市场规模来说，Flash在存储器中排名第三，2019年在480亿美元左右，占比为26.4%。排名第一的前面的文章说过，是DRAM以603亿美金，占比33.24%为榜首；排名第二的是机械硬盘585亿美元，占比32.25%。

在Flash中，又分为NAND Flash约450-460亿美元，以及Nor Flash约20-25亿美元。其中，在NAND Flash领域，前四家占了80.2%的市场，分别是三星33.5%、铠侠（东芝）18.9%、西部数据14.3%（闪迪）、美光13.5%；后面还跟了咬得很紧的两家SK海力士占9.7%以及英特尔占9.7%。

看过前面《存储器概览》那篇文章的读者会知道，非易失存储器分为ROM型和非ROM型。ROM就是只读存储器的意思。

这个时候可能就会有读者问，我的U盘能存数据，存数据的时候不就是在“写”么，怎么就只读了呢？

这里就要说一下ROM（Read Only Memory）只读存储器这个概念了。这是指一种在正常工作下只能读取数据，不能即时修改或者写入数据的存储器。显然，这已经是一个古老的名称了。

起源就是在计算机发展初期，BIOS都放在ROM里面。这个时期的ROM确实就是只能读不能写，采用的一般是MROM掩膜只读存储器，又称固定ROM。

看过前面关于芯片制造文章的朋友应该对掩膜这个东西很了解了，这种掩膜只读存储器就是在ROM制造的时候，直接用掩膜工艺把信息“刻”进存储器里面了，让用户无法更改。这种ROM由于是在生产线上直接生产的，所以可以实现批量制造，在当时是更为经济的做法。

但这显然不方便，万一这ROM里面的资料有错误那可能整个计算机都浪费掉了，而且如果信息需要升级呢，那也是没办法改的，于是人们发明了PROM可编程ROM。这种PROM出厂时内部就没有资料了，需要采用专门的编辑器将资料写进去。但机会只有一次，如果写错了也没法修改，芯片报废。而且这种效率比较低，不但写入速度慢也不便于一次性大规模在生产线上搞，所以一般不用于量产只用于量产前的验证或者测试。

接着，人们又发明了可擦除ROM。这种ROM的特点在于内容可以通过特殊的方式擦除和重写，解决了PROM只能写一次的问题。

到这里，基本上ROM只读存储器差不多就是“只读”而已，称为“不可重写只读存储器”。但显然这不够方便，于是人们又发明了“可重写只读存储器”，这种就不是“只读”了，它们“可读可写”。所以，ROM只读存储器的“只读”只是由于历史原因延续下来的一个名字。

可重写只读存储器ROM，按照擦除的方式不同可以分为光可擦除可编程EPROM和电可擦除可编程EEPROM。

看名字就知道，光可擦除可编程存储器是用光来完成工作。在这种存储器的正面的陶瓷封装上有一个玻璃“孔窗”，用紫外光照进去，一般把内部的芯片照个15到20分钟就可以擦除上面的数据。然后，再用专门的编辑器进行信息写入，写信息的时候还需要加一定的编程电压，写好以后要把“孔窗”用不透明的胶布封好，免得收到紫外线污染导致资料受损。

这个过程是不是挺麻烦的？于是人们又搞出来了EEPROM，这种ROM不需要借助其他设备，直接用电子信号来进行内容的修改。

此外，EEPROM是以Byte为最小修改单位的，也就是说可以往每个bit中写0或者1，就是按“位”读写，不必将内容全部擦除后再写，在写入的时候只需要使用厂商提供的专用刷新程序就可以了。里面的数据可以保持100年，可以擦写100万次。显然，这比前面的EPROM要方便、擦写速度也更快。

不过呢，这么好的东西自然电路结构的复杂程度也会更高，那么成本也会更高。所以，目前的EEPROM的容量一般都是1MB以下。主要应用在各种电子设备中存储规模小并且经常需要修改数据场景，比如智能手机摄像头模组中存储镜头与图像矫正参数的内存、液晶面板中存储参数和配置文件的内存、蓝牙模块中存储控制参数的内存以及内存条中温度传感器内存等等。

国内的聚辰股份有在做EEPROM，目前全球市占率为8.17%左右，排名第三。

有了对ROM概念的理解，我们开始来讲今天的正主Flash。

Flash在英文里有“快速地”意思，一个存储器怎么就“快”了呢？

这主要是因为，相较于Flash存储的前辈EEPROM，Flash的擦除操作不是以“位”为单位，而是以“块”为单位，常见的块大小为128KB和256KB。1KB是1024个bit，比起一个bit一个bit的擦除，你说它快不快？一闪而过，闪存。

Flash的概念是1980年由日本东芝的舛冈富士雄提出的，并申请了“ simultaneously erasable（同步可擦除） EEPROM”的专利。但是，这个时期也正是日本DRAM大放光彩的时候，所以Flash这个东西直接被东芝无视了。

1984年舛冈富士雄在IEEE国际电子元件会议上正式发表了这项发明，被英特尔插眼，它觉得这个东西未来肯定真香，于是在1986年成立了专门干Flash的部门。1988年英特尔基于舛冈富士雄的发明生产了第一款256KB NOR Flash。在此前的一年，舛冈富士雄又搞出来NAND Flash。

我们来看一下Flash的构成和工作原理。

Flash的基本构成单元是浮栅场效应管，这是一个三端器件，三个端与通常的场效应管名字一样：源极、漏极和栅极。

浮栅场效应管的栅极是由两个多晶硅构成，一个栅极和普通的栅极一样用导线引出，称为控制栅；另一个栅极没有外引线，不与任何部分连接，是浮空的，所以称为浮栅。

浮栅极是由氮化物夹在两层二氧化硅材料之间构成的，中间的氮化物就是可以存储电荷的电荷势阱。浮栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。上下两层氧化物的厚度大于50埃，以避免发生击穿。

前面提到的EEPROM中也是采用了浮栅场效应管，与Flash不同之处在于它的基本单元还有一个晶体管，用于在编程（写入）和擦除时选择对应的浮栅晶体管。所以，EEPROM的单元结构是两个晶体管的组合而成，更加复杂，单元结构的尺寸也更大，因此单元成本自然也更高。

浮栅的这种结构让它有了存储电荷的能力，因此Flash能够存储数据。向Flash的数据单元写入数据的过程就是向电荷势阱注入电荷的过程，就是“充电”。

写入数据，即“充电”有两种技术，一种是热电子注入，就是通过源极给浮栅充电，NOR Flash采用的就是这种充电方式。

具体原理就是给漏极和控制栅极同时加上高电压，源极接地，这个时候大量的电子会从源极流向漏极，并获得很高的能量，这些热电子碰撞产生高能电子，高能电子在浮栅极电场的吸引下越过氧化层的电子势垒跑到浮栅极中的电荷势阱中，这就是充上电了。掉电后，这些电子还在原位，这就是闪存掉电数据也还在的原因。

这种热电子注入的方式，它的工作电压较低，外围电压工艺的要求也比较低，但显然它的电流很大有比较大的功耗。所以，对于使用热电子注入方式的NOR Flash由于功耗比较大，对于功耗要求比较苛刻的便携式产品一般

沟道热电子注入模式工作电压较低，外围高压工艺的要求也较低，但它的编程电流很大，有较大的功耗，所以对功耗要求比较苛刻的便携式电子产品一般就不怎么喜欢偏好使用NOR Flash。

另一种是FN隧道效应，就是通过硅基层给浮栅充电。NAND Flash采用这种方式给浮栅充电。

这种方法是在控制栅极和硅衬底之间加上一个电压，这个时候氧化层中就会形成一个电场。在经典力学的理论下，由于二氧化硅和硅界面的电子势垒比较高，电子很难越过势垒跑到浮栅中去。但是，当氧化层中电场达到10Mv／cm，且氧化层厚度小于0.01微米的时候，电子能够产生量子力学层面的“ 直接隧道效应”，在这个效应下，电子能够穿过氧化层注入到浮栅。

采用FN隧道效应给浮栅充电，这种模式功耗小不过外围工艺和升压电路就比较复杂一点。

擦除数据，就是给浮栅“放电”了。NOR Flash和NAND Flash都是通过FN隧道效应进行放电操作的。

NANDFlash的数据是以bit的方式保存在存储单元中的，1bit就是1位二进制数，1或者0。一般来说一个存储单元中只存储一个bit，即一个存储单元要么表示1，要么表示0。8个或者16个存储单元串联在一起，连成bitline，即“位线”。

256或者512条“位线”组成“页”，每一页对应一个“字线（wordline）”，这里也可以看出每一页的容量是256B或者512B，不过实际上NANDFlash的每页都会多出来16个字节的容量作为“备用区”，这个备用区是用于数据区的检错和纠错的，就是标记坏块和存放ECC（错误纠正码）。一般超过1G容量的NANDFlash每“页”的容量会更大，比如2048B，对应的备用区也会更大为64B。

NANDFlash中的若干“页”又组成“块”，“块”是NANDFlash擦除时的最小单位，由此可见擦除是一擦擦一大片。

通过上面关于NANDFlash原理和存储结构的介绍，大家也可以看出NANDFlash这个名字的由来。N代表NOT，就是说当浮栅中有电荷的时候，读出“0”，这是一种“非”逻辑；AND代表同一条“位线”下面的存储单元是串联的，这是一种“与”逻辑。

也正是因为NANDFlash的“位线”上存储单元是串联的，每一“页”又由一个“字线（wordline）”来控制，所以当它在读取数据的时候是整条“字线”上的所有数据一起读出来的，不能单独地获取某一“位（bit）”的数据。所以，NANDFlash读取数据和写入数据都是以“页”为基本单位。

不能一位一位读，也让NANDFlash上无法直接运行程序，所有的数据必须先读取到RAM上以后才能运行。

此外，根据NANDFlash中电子单元密度的差异，又可以分为SLC（单层存储单元）、MLC（双层存储单元）、TLC(三层存储单元)以及QLC（四层存储单元）。

SLC（单层存储），这种是单层电子结构，存储单元的电压被分为两个等级，用来表示0 和1的状态。SLC的一个存储单元可以存储1个bit。寿命长、读写次数在10万次以上，成本高，多用于企业级高端产品。

MLC（双层存储），通过高低电压构建出双层电子结构，存储单元的电压被分为4个等级，分别表示00、01、10和11四个状态，一个存储单元能存储2bit。寿命也还可以，读写次数在1万次或者以上，成本在SLC 的一半左右，多用于消费级的高端产品。

TLC（三层存储），这是MLC的延伸，存储单元的电压被分为8个等级，一个存储单元能 存储3bit。成本约为SLC的三分之一，使用寿命较低，大概能读写5000次左右。这是目前最主流的产品。

QLC（（四层存储Quad-Level Cell），或者叫4bit MLC，成本更低寿命也更短。

总的来说NandFlash的单个存储单元存储的bit越多读写性能越差、寿命越短、成本越低。

与NANDFlash的串联不同，NORFlash的存储单元是以并联的方式连接到位线的，在读取数据的时候不需对“字线”进行加压，直接测量对应的位线和 Source Line 之间的通断即可获取该存储单元的数据。

因此，与NANDFlash按“页”读取不同，NORFlash是可以实现“位”读取的。这样，程序可以直接在NORFlash上面运行，这就是所谓的“芯片内执行（XIP）”。换句话说NORFlash可以像内存一样进行“读”操作，不过，它并不能像内存一样进行“写入”和“擦除”操作。

在擦除上，NORFlash也是按“块”进行擦除的，但是擦除的速度不如NandFlash。

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