第三章 SSD存储介质:闪存 3.1 |
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3.1 闪存物理结构
闪存芯片从小到大依此是由:cell(单元)、page(页)、block(块)、plane(平面)、die(核心)、NAND flash(闪存芯片)组成的。 一个闪存页的大小主要有4KB、8KB、16KB几种。 3.1.1 闪存器件原理1. 闪存的特性 (1)闪存是非易失性存储器,即掉电之后数据不会丢失; (2)闪存块(Block)需先擦除才能写入,不能覆盖写(Update in Place); (3)闪存块(Block)具有一定的寿命。每擦除一次闪存块,都会对闪存块造成磨损,擦除到达一定次数后,闪存块要么变成坏块,要么这块闪存块上的数据变得不可靠; (4)闪存块读的次数是有限的。读的次数多了,会造成读干扰问题; (5)闪存天生有坏块。同时,随着SSD的使用,会产生新的坏块。 2. 闪存基本存储单元Cell 闪存的物理结构 - 爱码网 Cell:闪存基本存储单元,是闪存的 最小工作单位 ,执行数据存储的任务;它是一种类NMOS的 双层浮栅(Floating Gate)MOS管 。 闪存由源极(Source)、漏极(Drain)、浮动栅极(Floating Gate)、控制栅极(Control Gate)组成,是双栅极结构。 闪存是非易失性存储器的原因:MOS管在源极(Source)和漏极(Drain)之间电流单向传导的半导体上形成了存储电子的浮栅,浮栅上下被绝缘层包围,存储在里面的电子不会因掉电而消失。因此,闪存是非易失性存储器。
写操作是在 控制栅极 加正电压(Vpp),使电子(带负电)通过 绝缘层进入浮栅层 ;值得注意的是,该操作执行完之后,该闪存单元存储的是0!!即,此时,读取状态为0。 擦除操作是在 源极 加正电压(Vpp),利用浮栅极和漏极之间的隧道效应,把电子 从浮栅层吸引 到源极,排空浮动栅极的电子。此时,读取状态为1。 问:为什么浮栅极没有电子的时候是1,有电子是0呢???? 答:闪存的工作原理_闪存原理_liukuan73的博客-CSDN博客 DIE,也称LUN,是接收和执行闪存命令的基本单元。 闪存根据 每个单元内可存储的数据量 分成 SLC(1bit/Cell)、MLC(2bit/Cell)、TLC(3bit/Cell)和 QLC(4bit/Cell),成本依次降低,容量依次增大(同样面积的DIE上),耐用度也依次降低。 SLC:一个存储单元存储1bit数据的闪存。 同样面积的一个存储单元,SLC、MLC、TLC分别可以存储1bit、2bit、3bit的数据,所以在同样面积的DIE上,闪存容量依次变大; 同时,一个存储单元电子划分越多,读、写、擦所要耗费的时间就越长。故而,性能上SLC>MLC>TLC。 3.1.3 闪存芯片架构下图是一个闪存块Block的组织架构。一个Wordline(字线)对应着一个或若干个Page。一个Page有多大,那么Wordline上面就有多少个存储单元,就有多少个Bitline(位线)。一个Block当中所有的存储单元(Cell)共用一个衬底。 Wordline(WL)是字线,其控制读取和写入,故而Page是最小的读写单位。 Bitline(BL)是位线。 Wordline是将一定数量(2的n次方)的存储单元的控制栅极连接起来。当Wordline上为H时,存储单元打开,此时Bitline上就可以读或者写数据到存储单元了。 如下图,NAND 一个plane内部MOS阵列,MOS管的漏极BL=bit line,控制栅极 WL=word line,源极都连在一起,WL连接了若干个page,通过WL加不同电压和不同时间长度进行各种操作,在BL端进行读的操作。Bit Line对应的一串MOS叫做string,Block的高度一般是一个string,但是很宽,很多个WL。 一文详解闪存flash读写的原理 - 存储技术 - 电子发烧友网 (elecfans.com) 上图中,Control Gate相当于MOS管的G极(控制栅极),Floating Gate是浮栅层。 DIE/LUN是接收和执行闪存命令的基本单元。但在一个LUN中,一次只能独立执行一个命令,不能对其中一个page进行写操作的同时,又对另一个page进行读操作。 闪存块Block是最小的擦除单位。原因:一个闪存块Block中的的所有存储单元是共用一个衬底(Substrate)的。如果对某个衬底加电压,那么所有浮栅层的电子都会被吸出来。 一个DIE可以分为若干个Plane,每个Plane有独立的Cache Register(高速缓冲寄存器)和Page Register(页寄存器),其大小等于一个Page的大小。 固态硬盘在写某个Page的时候,先把数据从主控传输到该Page所对应Plane的Cache Register中,再把整个Cache Register中的数据写到闪存阵列;读则相反,即闪存介质-->Cache Register-->主控。 注意:无论是从闪存介质读取数据到Cache Register,或是从Cache Register写数据到闪存介质,都是以Page为单位!!! 一文详解闪存flash读写的原理 - 存储技术 - 电子发烧友网 如果浮动栅极Floating Gate中没有电子(即没有执行过写操作或执行过擦除操作),那么通过阈值电压可以控制电流的通断: (1)当控制栅极上的电压 > 阈值电压VT时,此时没有电流,相当于开关断开,对应状态为0; (2)当控制栅极上的电压 |
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