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閃存
開放分類： 硬件、電腦、計算機、集成電路、存儲器
目錄
閃存的概念 技術及特點 閃存的分類 NAND型閃存 應用及前景 與硬盤區別 閃存發展過程閃存的概念
閃存（Flash Memory）是壹種長壽命的非易失性（在斷電情況下仍能保持所存儲的數據信息）的存儲器，數據刪除不是以單個的字節為單位而是以固定的區塊為單位，區塊大小壹般為256KB到20MB。閃存是電子可擦除只讀存儲器（EEPROM）的變種，EEPROM與閃存不同的是，它能在字節水平上進行刪除和重寫而不是整個芯片擦寫，這樣閃存就比EEPROM的更新速度快。由於其斷電時仍能保存數據，閃存通常被用來保存設置信息，如在電腦的BIOS（基本輸入輸出程序）、PDA（個人數字助理）、數碼相機中保存資料等。另壹方面，閃存不像RAM（隨機存取存儲器）壹樣以字節為單位改寫數據，因此不能取代RAM。
閃存卡（Flash Card）是利用閃存（Flash Memory）技術達到存儲電子信息的存儲器，壹般應用在數碼相機，掌上電腦，MP3等小型數碼產品中作為存儲介質，所以樣子小巧，有如壹張卡片，所以稱之為閃存卡。根據不同的生產廠商和不同的應用，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、規格不同，但是技術原理都是相同的。
技術及特點
NOR型與NAND型閃存的區別很大，打個比方說，NOR型閃存更像內存，有獨立的地址線和數據線，但價格比較貴，容量比較小；而NAND型更像硬盤，地址線和數據線是***用的I/O線，類似硬盤的所有信息都通過壹條硬盤線傳送壹般，而且NAND型與NOR型閃存相比，成本要低壹些，而容量大得多。因此，NOR型閃存比較適合頻繁隨機讀寫的場合，通常用於存儲程序代碼並直接在閃存內運行，手機就是使用NOR型閃存的大戶，所以手機的“內存”容量通常不大；NAND型閃存主要用來存儲資料，我們常用的閃存產品，如閃存盤、數碼存儲卡都是用NAND型閃存。
這裏我們還需要端正壹個概念，那就是閃存的速度其實很有限，它本身操作速度、頻率就比內存低得多，而且NAND型閃存類似硬盤的操作方式效率也比內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，甚至想當然地認為閃存盤采用USB2.0接口之後會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，這和它的架構設計和接口設計有關，它操作起來確實挺像硬盤(其實NAND型閃存在設計之初確實考慮了與硬盤的兼容性)，它的性能特點也很像硬盤：小數據塊操作速度很慢，而大數據塊速度就很快，這種差異遠比其他存儲介質大的多。這種性能特點非常值得我們留意。
閃存存取比較快速，無噪音，散熱小。妳買的話其實可以不考慮那麽多，同樣存儲空間買閃存。如果硬盤空間大就買硬盤，也可以滿足妳應用的需求。
閃存的分類
·目前市場上常見的存儲按種類可分：
U盤
CF卡
SM卡
SD/MMC卡
記憶棒
·國內市場常見的品牌有：
金士頓、索尼、晟碟、Kingmax、鷹泰、創見。
NAND型閃存
內存和NOR型閃存的基本存儲單元是bit，用戶可以隨機訪問任何壹個bit的信息。而NAND型閃存的基本存儲單元是頁（Page）（可以看到，NAND型閃存的頁就類似硬盤的扇區，硬盤的壹個扇區也為512字節）。每壹頁的有效容量是512字節的倍數。所謂的有效容量是指用於數據存儲的部分，實際上還要加上16字節的校驗信息，因此我們可以在閃存廠商的技術資料當中看到“（512+16）Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型閃存絕大多數是（512+16）字節的頁面容量，2Gb以上容量的NAND型閃存則將頁容量擴大到（2048+64）字節。
NAND型閃存以塊為單位進行擦除操作。閃存的寫入操作必須在空白區域進行，如果目標區域已經有數據，必須先擦除後寫入，因此擦除操作是閃存的基本操作。壹般每個塊包含32個512字節的頁，容量16KB；而大容量閃存采用2KB頁時，則每個塊包含64個頁，容量128KB。
每顆NAND型閃存的I/O接口壹般是8條，每條數據線每次傳輸（512+16）bit信息，8條就是（512+16）×8bit，也就是前面說的512字節。但較大容量的NAND型閃存也越來越多地采用16條I/O線的設計，如三星編號K9K1G16U0A的芯片就是64M×16bit的NAND型閃存，容量1Gb，基本數據單位是（256+8）×16bit，還是512字節。
尋址時，NAND型閃存通過8條I/O接口數據線傳輸地址信息包，每包傳送8位地址信息。由於閃存芯片容量比較大，壹組8位地址只夠尋址256個頁，顯然是不夠的，因此通常壹次地址傳送需要分若幹組，占用若幹個時鐘周期。NAND的地址信息包括列地址(頁面中的起始操作地址)、塊地址和相應的頁面地址，傳送時分別分組，至少需要三次，占用三個周期。隨著容量的增大，地址信息會更多，需要占用更多的時鐘周期傳輸，因此NAND型閃存的壹個重要特點就是容量越大，尋址時間越長。而且，由於傳送地址周期比其他存儲介質長，因此NAND型閃存比其他存儲介質更不適合大量的小容量讀寫請求。
決定NAND型閃存的因素有哪些？
1．頁數量
前面已經提到，越大容量閃存的頁越多、頁越大，尋址時間越長。但這個時間的延長不是線性關系，而是壹個壹個的臺階變化的。譬如128、256Mb的芯片需要3個周期傳送地址信號，512Mb、1Gb的需要4個周期，而2、4Gb的需要5個周期。
2．頁容量
每壹頁的容量決定了壹次可以傳輸的數據量，因此大容量的頁有更好的性能。前面提到大容量閃存（4Gb）提高了頁的容量，從512字節提高到2KB。頁容量的提高不但易於提高容量，更可以提高傳輸性能。我們可以舉例子說明。以三星K9K1G08U0M和K9K4G08U0M為例，前者為1Gb，512字節頁容量，隨機讀（穩定）時間12μs，寫時間為200μs；後者為4Gb，2KB頁容量，隨機讀(穩定)時間25μs，寫時間為300μs。假設它們工作在20MHz。
讀取性能：NAND型閃存的讀取步驟分為：發送命令和尋址信息→將數據傳向頁面寄存器(隨機讀穩定時間)→數據傳出(每周期8bit，需要傳送512+16或2K+64次)。
K9K1G08U0M讀壹個頁需要：5個命令、尋址周期×50ns+12μs+（512+16）×50ns=38.7μs；K9K1G08U0M實際讀傳輸率：512字節÷38.7μs=13.2MB/s；K9K4G08U0M讀壹個頁需要：6個命令、尋址周期×50ns+25μs+（2K+64）×50ns=131.1μs；K9K4G08U0M實際讀傳輸率：2KB字節÷131.1μs=15.6MB/s。因此，采用2KB頁容量比512字節也容量約提高讀性能20%。
寫入性能：NAND型閃存的寫步驟分為：發送尋址信息→將數據傳向頁面寄存器→發送命令信息→數據從寄存器寫入頁面。其中命令周期也是壹個，我們下面將其和尋址周期合並，但這兩個部分並非連續的。
K9K1G08U0M寫壹個頁需要：5個命令、尋址周期×50ns+（512+16）×50ns+200μs=226.7μs。K9K1G08U0M實際寫傳輸率：512字節÷226.7μs=2.2MB/s。K9K4G08U0M寫壹個頁需要：6個命令、尋址周期×50ns+（2K+64）×50ns+300μs=405.9μs。K9K4G08U0M實際寫傳輸率：2112字節/405.9μs=5MB/s。因此，采用2KB頁容量比512字節頁容量提高寫性能兩倍以上。
3．塊容量
塊是擦除操作的基本單位，由於每個塊的擦除時間幾乎相同（擦除操作壹般需要2ms，而之前若幹周期的命令和地址信息占用的時間可以忽略不計），塊的容量將直接決定擦除性能。大容量NAND型閃存的頁容量提高，而每個塊的頁數量也有所提高，壹般4Gb芯片的塊容量為2KB×64個頁=128KB，1Gb芯片的為512字節×32個頁=16KB。可以看出，在相同時間之內，前者的擦速度為後者8倍！
4．I/O位寬
以往NAND型閃存的數據線壹般為8條，不過從256Mb產品開始，就有16條數據線的產品出現了。但由於控制器等方面的原因，x16芯片實際應用的相對比較少，但將來數量上還是會呈上升趨勢的。雖然x16的芯片在傳送數據和地址信息時仍采用8位壹組，占用的周期也不變，但傳送數據時就以16位為壹組，帶寬增加壹倍。K9K4G16U0M就是典型的64M×16芯片，它每頁仍為2KB，但結構為（1K+32）×16bit。
模仿上面的計算，我們得到如下。K9K4G16U0M讀壹個頁需要：6個命令、尋址周期×50ns+25μs+（1K+32）×50ns=78.1μs。K9K4G16U0M實際讀傳輸率：2KB字節÷78.1μs=26.2MB/s。K9K4G16U0M寫壹個頁需要：6個命令、尋址周期×50ns+（1K+32）×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G16U0M實際寫傳輸率：2KB字節÷353.1μs=5.8MB/s
可以看到，相同容量的芯片，將數據線增加到16條後，讀性能提高近70%，寫性能也提高16%。
5．頻率
工作頻率的影響很容易理解。NAND型閃存的工作頻率在20～33MHz，頻率越高性能越好。前面以K9K4G08U0M為例時，我們假設頻率為20MHz，如果我們將頻率提高壹倍，達到40MHz，則K9K4G08U0M讀壹個頁需要：6個命令、尋址周期×25ns+25μs+（2K+64）×25ns=78μs。K9K4G08U0M實際讀傳輸率：2KB字節÷78μs=26.3MB/s。可以看到，如果K9K4G08U0M的工作頻率從20MHz提高到40MHz，讀性能可以提高近70%！當然，上面的例子只是為了方便計算而已。在三星實際的產品線中，可工作在較高頻率下的應是K9XXG08UXM，而不是K9XXG08U0M，前者的頻率目前可達33MHz。
6．制造工藝
制造工藝可以影響晶體管的密度，也對壹些操作的時間有影響。譬如前面提到的寫穩定和讀穩定時間，它們在我們的計算當中占去了時間的重要部分，尤其是寫入時。如果能夠降低這些時間，就可以進壹步提高性能。90nm的制造工藝能夠改進性能嗎？答案恐怕是否！目前的實際情況是，隨著存儲密度的提高，需要的讀、寫穩定時間是呈現上升趨勢的。前面的計算所舉的例子中就體現了這種趨勢，否則4Gb芯片的性能提升更加明顯。
綜合來看，大容量的NAND型閃存芯片雖然尋址、操作時間會略長，但隨著頁容量的提高，有效傳輸率還是會大壹些，大容量的芯片符合市場對容量、成本和性能的需求趨勢。而增加數據線和提高頻率，則是提高性能的最有效途徑，但由於命令、地址信息占用操作周期，以及壹些固定操作時間（如信號穩定時間等）等工藝、物理因素的影響，它們不會帶來同比的性能提升。
1Page=（2K+64）Bytes；1Block=（2K+64）B×64Pages=（128K+4K）Bytes；1Device=（2K+64）B×64Pages×4096Blocks=4224Mbits
其中：A0～11對頁內進行尋址，可以被理解為“列地址”。
A12～29對頁進行尋址，可以被理解為“行地址”。為了方便，“列地址”和“行地址”分為兩組傳輸，而不是將它們直接組合起來壹個大組。因此每組在最後壹個周期會有若幹數據線無信息傳輸。沒有利用的數據線保持低電平。NAND型閃存所謂的“行地址”和“列地址”不是我們在DRAM、SRAM中所熟悉的定義，只是壹種相對方便的表達方式而已。為了便於理解，我們可以將上面三維的NAND型閃存芯片架構圖在垂直方向做壹個剖面，在這個剖面中套用二維的“行”、“列”概念就比較直觀了。
應用及前景
“優盤”是閃存走進日常生活的最明顯寫照，其實早在U盤之前，閃存已經出現在許多電子產品之中。傳統的存儲數據方式是采用RAM的易失存儲，電池沒電了數據就會丟失。采用閃存的產品，克服了這壹毛病，使得數據存儲更為可靠。除了閃存盤，閃存還被應用在計算機中的BIOS、PDA、數碼相機、錄音筆、手機、數字電視、遊戲機等電子產品中。
追溯到1998年，優盤進入市場。接口由USB1.0發展到2.0，速度逐漸提高。U盤的盛行還間接促進了USB接口的推廣。為什麽U盤這麽受到人們歡迎呢？
閃存盤可用來在電腦之間交換數據。從容量上講，閃存盤的容量從16MB到2GB可選，突破了軟驅1.44MB的局限性。從讀寫速度上講，閃存盤采用USB接口，讀寫速度比軟盤高許多。從穩定性上講，閃存盤沒有機械讀寫裝置，避免了移動硬盤容易碰傷、跌落等原因造成的損壞。部分款式閃存盤具有加密等功能，令用戶使用更具個性化。閃存盤外形小巧，更易於攜帶。且采用支持熱插拔的USB接口，使用非常方便。
目前，閃存正朝大容量、低功耗、低成本的方向發展。與傳統硬盤相比，閃存的讀寫速度高、功耗較低，目前市場上已經出現了閃存硬盤。隨著制造工藝的提高、成本的降低，閃存將更多地出現在日常生活之中。
與硬盤區別
如果單從儲存介質上來說 ，閃存比硬盤好 。但並不是音質上的好，是指數據傳輸的速度還有抗震度來說（閃存不存在抗震） 。要對比兩者之間的優劣並不難， 首先理解什麽是數碼，知道什麽是數碼信號之後就該清楚數碼信號通常是不受儲存介質幹擾的。（忽略音頻流文件的誤碼，硬盤和閃存在這個方面可以忽略，光盤不同。） 硬盤和閃存的數據準確性都很高 ，在同樣的測試條件下（相同解碼相同輸出），兩者音質肯定是壹樣的 。對於隨身聽來說，贊同閃存式。
優點：
1.閃存的隨身聽小。並不是說閃存的集成度就壹定會高。微硬盤做的這麽大壹塊主要原因就是微硬盤不能做的小過閃存，並不代表微硬盤的集成度就不高。再說，集成度高並不能代表音質壹定下降。MD就是壹個例子。
2.相對於硬盤來說閃存結構不怕震，更抗摔。硬盤最怕的就是強烈震動。雖然我們使用的時候可以很小心，但老虎也有打盹的時候，不怕壹萬就怕萬壹。
3.閃存可以提供更快的數據讀取速度，硬盤則受到轉速的限制 。
4.質量輕。
閃存發展過程
·閃存的發展歷史
在1984年，東芝公司的發明人Fujio Masuoka 首先提出了快速閃存存儲器(此處簡稱閃存)的概念。與傳統電腦內存不同，閃存的特點是非易失性(也就是所存儲的數據在主機掉電後不會丟失)，其記錄速度也非常快。
Intel是世界上第壹個生產閃存並將其投放市場的公司。1988年，公司推出了壹款256K bit閃存芯片。它如同鞋盒壹樣大小，並被內嵌於壹個錄音機裏。後來，Intel發明的這類閃存被統稱為NOR閃存。它結合EPROM(可擦除可編程只讀存儲器)和EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)兩項技術，並擁有壹個SRAM接口。
第二種閃存稱為NAND閃存。它由日立公司於1989年研制，並被認為是NOR閃存的理想替代者。NAND閃存的寫周期比NOR閃存短十倍，它的保存與刪除處理的速度也相對較快。NAND的存儲單元只有NOR的壹半，在更小的存儲空間中NAND獲得了更好的性能。鑒於NAND出色的表現，它常常被應用於諸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 xD、 and PC cards、USB sticks等存儲卡上。
·閃存的市場現狀分析
目前的閃存市場仍屬於群雄爭霸的末成熟時期。三星、日立、Spansion和Intel是這個市場的四大生產商。
由於戰略上的壹些錯誤，Intel在第壹次讓出了它的榜首座椅，下落至三星、日立和Spansion之後。
AMD閃存業務部門Spansion同時生產NAND和NOR閃存。它上半年的NOR閃存產量幾乎與Intel持平，成為NOR閃存的最大制造商。該公司在上半年贏利為13億美元，幾乎是它整個公司利潤額(25億美元)的壹半以上。
總體而言，Intel和AMD在上半年成績喜人，但三星和日立卻遭受挫折。
據市場調研公司iSuppli所做的估計，今年全球的閃存收益將達到166億美元，比2003年(116.4億美元)上漲46%。消息者對數碼相機、USB sticks和壓縮式MP3播放器內存的需求將極大推動閃存的銷售。據預測，2005年閃存的銷售額將達到175億美元。不過，iSuppli估計，2005年至2008年閃存的利潤增漲將有所回落，最高將達224億美元。
·新的替代品是否可能？
與許多壽命短小的信息技術相比，閃存以其16年的發展歷程，充分顯示了其“老前輩”的作風。九十年代初，閃存才初入市場；至2000年，利益額已突破十億美元。英飛淩科技閃存部門主任，彼得曾說：“就閃存的生命周期而言，我們仍處於壹個上升的階段。”英飛淩相信，閃存的銷售仍具有上升空間，並在醞釀加入對該市場的投入。英飛淩在今年初宣布，其位於德累斯頓的200毫米DRAM工廠已經開始生產512Mb NAND兼容閃存芯片。到2004年底，英飛淩公司計劃采用170納米制造工藝，每月制造超過10,000片晶圓。而2007年，該公司更希望在NAND市場成為前三甲。
此外，Intel技術與制造集團副總載Stefan Lai認為，在2008年之前，閃存將不可替代。2006年，Intel將首先采用65納米技術；到2008年，目前正在研發的新壹代45納米技術將有望投放市場。Stefan Lai覺得，目前的預測仍然比較淺顯，或許32納米、22納米技術完全有可能實現。但Stefan Lai也承認，2008年至2010年，新的技術可能會取而代之。
盡管對閃存替代品的討論越來越激勵，閃存仍然受到市場的重視。未來的替代品不僅必須是類似閃存壹樣的非易失性存儲器，而且在速度和寫周期上略勝壹籌。此外，生產成本也應該相對低廉。由於現在制造技術還不成熟，新的替代品不會對閃存構成絕對的威脅。下面就讓我們來認識壹下幾種可能的替代產品：
·Nanocrystals(納米晶體)
摩托羅拉的半導體部門Freescale正在研制壹種增加閃存生命周期的產品。這種產品以矽納米晶體(Silicon Nanocrystals)為介質，用矽原子柵格代替了半導體內部的固態層。納米晶體不是壹個全新的存儲技術。它只是對閃存的壹種改進，使它更易擴展。它的生產成本可以比原來低大約10-15%，生產過程更加簡單。它的性能與可靠性都能夠與目前的閃存相媲美。
摩托羅拉花了十年時間研發這種技術，並打算大規模生產此類產品。去年六月，該公司已經成功地使用此技術推出了壹款此類芯片。矽納米晶體芯片預計會在2006年全面投放市場。
→更多相關內容請參見納米晶體
·MRAM(Magnetic RAM磁荷隨機存儲器)
MRAM磁荷隨機存儲器是由英飛淩與Freescale兩家公司研發的壹種利用磁荷來儲存數據的存介質。MRAM的寫次數很高，訪問速度也比閃存大大增強。根據計算，寫MRAM芯片上1bit的時間要比寫閃存的時間短壹百萬倍。
·磁荷隨機存儲器
兩家公司都認為，MRAM不僅將是閃存的理想替代品，也是DRAM與SRAM的強有力競爭者。今年六月，英飛淩已將自己的第壹款產品投放市場。與此同時，Freescale也正在加緊研發，力爭在明年推出4M bit芯片。
但是，壹些評論者擔心MRAM是否能達到閃存存儲單元的尺寸。根據英飛淩的報告，目前閃存存儲單元的尺寸為0.1?m?，而16M bit MRAM芯片僅達到1.42 ?m?。另外，MRAM的生產成本也是個不小的問題。
更多相關內容請參見磁荷隨機存儲器。
·OUM(Ovonic Unified Memory Ovonyx標準化內存)
OUM是由Intel研發的，利用Ge、Sb與Te等化合物為材料制成的薄膜。OUM。OUM的寫、刪除和讀的功能與CD-RW與DVD-RW相似。但CD/DVD使用激光來加熱和改變稱為硫系化合物(chalcogenides)的材料；而OUM則通過電晶體控制電源，使其產生相變方式來儲存資料。
OUM的擦寫次數為10的12次方，100次數據訪問時間平均為200納秒。OUM的速度比閃存要快。盡管OUM比MRAM的數據訪問時間要慢，但是低廉的成本卻是OUM的致勝法寶。
與MRAM不同，OUM的發展仍處於初期。盡管已制成測試芯片，它們僅僅能用來確認概念而不是說明該技術的可行性。Intel在過去四年壹直致力於OUM的研發，並正在努力擴大該市場。
更多相關內容請參見OUM 。
·總結
除了上文提到的MRAM和OUM，其它可替代的產品還有MRAM (FeRAM)、 Polymer memory (PFRAM)、 PCRAM、 Conductive Bridge RAM (CBRAM)、 Organic RAM (ORAM)以及最近的Nanotube RAM (NRAM)。目前替代閃存的產品有許多，但是哪條路能夠成功，以及何時成功仍然值得懷疑。
對大多數公司而言，閃存仍是壹個理想的投資。不少公司已決定加大對閃存的投資額。此外，據估計，到2004年，閃存總產值將與DRAM並駕齊驅，到2006年將超越DRAM產品。因為，在期待新壹代產品的同時，我們也不應該忽視目前已有的市場。