第三章 SSD存储介质:闪存 3.1

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第三章 SSD存储介质:闪存 3.1

2024-06-09 20:47| 来源: 网络整理| 查看: 265

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

 3.1.2 SLC、MLC和TLC

        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!!!

 3.1.4 读、写、擦原理

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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