闪存物理结构,闪存器件原理
闪存物理结构
闪存器件原理
前文已经讲过了固态硬盘的发展史，曾经的固态硬盘有过ram等介质，但是目前绝大多数固态硬盘都是以闪存芯片为存储介质的。dram固态硬盘我们见得少，主要应用于特殊的场合。1978年诞生的世界上第一块固态硬盘就是基于dram的。但由于dram掉电易失性，当然还有成本因素，现在的固态硬盘一般都不用dram，而是使用闪存作为存储介质，并且是nand 闪存。固态硬盘的工作原理很多也都是基于闪存特性的。比如，闪存在写之前必须先擦除，不能覆盖写，于是固态硬盘才需要垃圾回收（garbage collection，或者叫 recycle）；闪存每个块（block）擦写次数达到一定值，这个块要么变成坏块，要么存储在上面的数据不可靠，所以固态硬盘固件必须做磨损平衡，让数据平均写在所有块上，而不是盯着几个块拼命写（不然很快固态硬盘就报废了）。还有类似很多例子，固态硬盘内部很多算法都是在为闪存服务的。所以，欲攻固态硬盘，闪存首当其冲。
闪存是一种非易失性存储器，也就是说，掉电了，数据也不会丢失。闪存基本存储单元 (cell) 是一种类nmos的双层浮栅 (floating gate) mos管组成，如图3-1所示：
图3-1 浮栅晶体管结构
在源极(source)和漏极(drain)之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮栅，浮栅上下被绝缘层所包围，存储在里面的电子不会因为掉电而消失，所以闪存是非易失存储器。
写操作是在控制极加正电压，使电子通过绝缘层进入浮栅极。擦除操作正好相反，是在衬底加正电压，把电子从浮栅极中吸出来,如图3-2所示：
图3-2 左：写原理；右：擦除原理
在2014年的闪存峰会上，浮栅晶体管的发明人施敏（dr.simon sze）被授予终身成就奖，以表彰他发明了浮栅极晶体管。据说，浮栅极晶体管的发明灵感是这样来的：有天，施敏和搭档dawon kahng在公司的食堂一起吃午餐，饭后甜点是奶酪蛋糕。看着夹心蛋糕，他们在想，如果在mos场效应管中间加个东西，会怎样呢？于是，浮栅晶体管横空出世。截至2014年某个时间点，据统计，全世界生产的浮栅晶体管数目达1 074 344 929 692 350 000 000
这个数字还在继续增长着。阿呆觉得终身成就奖不够，施敏应该获得诺贝尔奖，毕竟机械硬盘机理——巨磁阻效应的发现人已经获得了诺贝尔奖。
获奖后，施敏在庆功宴上，为自己点了一份奶酪蛋糕。
slc，mlc，tlc
一个存储单元存储1比特数据的闪存，我们叫它为slc (single level cell)，2比特为mlc (multiple level cell) ，3比特为tlc (triple level cell)。现在已经有厂商在研发qlc，即一个存储单元存储4比特数据，本书不做介绍。
图3-3 slc，mlc，tlc原理
对slc来说，一个存储单元存储两种状态，浮栅极里面的电子多于某个参考值的时候，我们把它采样为0，否则，就判为1。
图3-4是闪存芯片里面存储单元的阈值电压分布函数，横轴是阈值电压，纵轴是存储单元数量。其实在0或1的时候，并非所有的存储单元都是同样的阈值电压，而是以这个电压为中心的一个分布。读的时候采样电压值，落在1范围里面，就认为是1；落在0范围里面，就认为是是0。
擦除之后，闪存读出来的值为1，充过电之后，就是0。所以，如果需要写1，就啥都不用干，写0，就需要充电到0。
图1-4 slc电压分布（来源：inside nand flash memory）
对mlc来说，如果一个存储单元存储4个状态，那么它只能存储2比特的数据。通俗来说就是把浮栅极里面的电子个数进行一个划分，比如低于10个电子，判为0；11-20个电子，判为1；21-30，判为2；多于30个电子，判为3。
图1-5 mlc电压分布（来源：inside nand flash memory）
依次类推tlc，若是一个存储单元有8个状态，那么它可以存储3比特的数据，它在mlc的基础上对浮栅极里面的电子数又进一步进行了划分。
图1-6 tlc电压分布（来源：inside nand flash memory）
同样面积的一个存储单元，slc，mlc和tlc，分别可以存储1，2，3 比特的数据，所以在同样面积的die上，闪存容量依次变大。
但同时，一个存储单元电子划分的越多，那么在写入的时候，控制进入浮栅极的电子个数就要越精细，所以写耗费的时间就越长；同样的，读的时候，需要尝试用不同的参考电压去读取，一定程度上加长读取时间。所以我们会看到在性能上，tlc不如mlc，mlc不如slc。
下表所示是slc，mlc和tlc在性能和寿命（endurance）上的一个直观对比
（不同制程和不同厂家的闪存，参数不尽相同，数据仅供参考）：
3d tlc逐渐成为主流。同时，qlc也马上要量产了，每个存储单元存储4比特数据，比tlc还要慢，还要不可靠。之前怀疑tlc可靠性的人们，怎么看qlc?
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闪存器件原理
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闪存是一种非易失性存储器，也就是说，掉电了，数据也不会丢失。闪存基本存储单元 (cell) 是一种类nmos的双层浮栅 (floating gate) mos管组成，如图3-1所示：
图3-1 浮栅晶体管结构
在源极(source)和漏极(drain)之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮栅，浮栅上下被绝缘层所包围，存储在里面的电子不会因为掉电而消失，所以闪存是非易失存储器。
写操作是在控制极加正电压，使电子通过绝缘层进入浮栅极。擦除操作正好相反，是在衬底加正电压，把电子从浮栅极中吸出来,如图3-2所示：
图3-2 左：写原理；右：擦除原理
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slc，mlc，tlc
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