Introducción a la memoria flash NOR y NAND
Memoria flash NOR
Intel desarrolló por primera vez la tecnología Nor Flash en 1988. Nor Flash se caracteriza por la ejecución en chip (XIP, eXecute In Place) y su lectura es similar a la forma de lectura aleatoria de nuestra SDRAM común. Los usuarios pueden ejecutar directamente el programa cargado en Nor Flash. El código que contiene puede reducir la capacidad de la SRAM y ahorrar costes. Debido a su rápida velocidad de lectura y a que es menos propenso a errores, se utiliza principalmente para almacenar información importante, como programas y sistemas operativos.
Memoria flash NAND
En 1989, Toshiba Corporation publicó la estructura Nand Flash, destacando su menor coste por bit, su mayor rendimiento y la facilidad con la que se puede actualizar a través de la interfaz, como si se tratara de un disco. Nand Flash no adopta la tecnología de lectura aleatoria de la memoria. Lee en forma de bloques, normalmente 512 bytes cada vez. La implementación de la memoria proporciona una solución barata y eficaz.
La memoria flash Nand tiene las ventajas de una gran capacidad y una rápida velocidad de reescritura, y es adecuada para almacenar grandes cantidades de datos, por lo que se utiliza cada vez más, como en productos integrados, incluidos teléfonos móviles, cámaras digitales y discos U.
Memoria flash NOR frente a memoria flash NAND
NOR y NAND son las dos principales tecnologías de memoria flash no volátil del mercado. Intel desarrolló por primera vez la tecnología flash NOR en 1988, lo que cambió por completo la situación en la que el mercado estaba monopolizado por EPROM y EEPROM. Luego, en 1989, Toshiba lanzó la estructura flash NAND, haciendo hincapié en la reducción del coste por bit, un mayor rendimiento y la posibilidad de actualizarla fácilmente a través de la interfaz como un disco. A continuación explicamos la diferencia entre ambas:
| Feature | NAND Flash | NOR Flash |
|---|---|---|
| Capacity | Large | Small |
| Access Mode | Sequential Read/Write | Random Read/Write |
| Interface | Any I/O | Specific Full Memory Interface |
| XIP (Executable Code) | Not Supported | Supported |
| Read/Write Performance | Block Read (Sequential), Block Write, Block Erase (Erase by Block) | Block Read (RAM Mode), Slow Write, Slow Erase |
| Endurance | Approximately One Million Times | Approximately One Hundred Thousand Times |
| Price | Low | High |
| Applications | USB Drives, Memory Cards, SSDs, and Embedded Storage (eMMC, eMCP, UFS) | Automotive Electronics and IoT, 5G and Smartphones, and Accessories (such as TWS Earphones and Wearable Devices) |
Comparación de rendimiento
La memoria flash es una memoria no volátil que se puede borrar, escribir y reprogramar en bloques de celdas de memoria denominados bloques. La operación de escritura de cualquier dispositivo flash solo se puede realizar en celdas vacías o borradas, por lo que, en la mayoría de los casos, el borrado debe realizarse antes de la operación de escritura.
Es muy sencillo para los dispositivos NAND realizar operaciones de borrado, mientras que los NOR requieren que todos los bits del bloque de destino se escriban como 0 antes de borrar. Dado que el borrado de los dispositivos NOR se realiza en bloques de 64-128 KB, el tiempo para realizar una operación de escritura/borrado es de 5 s. Por el contrario, el borrado de los dispositivos NAND se realiza en bloques de 8-32 KB. La operación solo tarda 4 ms como máximo. La diferencia en el tamaño de los bloques al realizar el borrado amplía aún más la brecha de rendimiento entre NOR y NAND. Las estadísticas muestran que, para un conjunto determinado de operaciones de escritura (especialmente al actualizar archivos pequeños), se deben realizar más operaciones de borrado en las unidades basadas en NOR. Por lo tanto, los diseñadores deben sopesar los siguientes factores al seleccionar una solución de almacenamiento.
- La velocidad de lectura de NOR es ligeramente superior a la de NAND.
- La velocidad de escritura de NAND es mucho más rápida que la de NOR.
- La velocidad de borrado de NAND, de 4 ms, es mucho más rápida que la de NOR, de 5 s.
- La mayoría de las operaciones de escritura requieren primero una operación de borrado.
- La unidad de borrado de NAND es más pequeña y el circuito de borrado correspondiente es menor.
Además, la aplicación real de NAND es mucho más complicada que la de NOR. NOR se puede utilizar directamente y el código se puede ejecutar directamente en él, mientras que NAND requiere una interfaz de E/S, por lo que se necesita un controlador para su uso. Sin embargo, los sistemas operativos más populares en la actualidad son compatibles con la memoria Flash con estructura NAND. Además, el kernel de Linux también es compatible con la memoria Flash con estructura NAND.
Comparación de interfaces
Los dispositivos NAND utilizan puertos de E/S complejos para acceder a los datos de forma secuencial, y los métodos de cada producto o fabricante pueden variar. Se utilizan 8 pines para transmitir información de control, direcciones y datos. La
memoria flash NOR tiene una interfaz SRAM, cuenta con suficientes pines de dirección y puede acceder fácilmente a todos los bytes que contiene.
Comparación de capacidad y coste
La memoria flash NAND se utiliza principalmente en productos de 8-128 MB, adecuados para el almacenamiento de datos, y su tamaño unitario es casi la mitad del de los dispositivos NOR. Además, su estructura también puede proporcionar una mayor capacidad dentro de un tamaño de molde determinado, lo que reduce el coste en consecuencia. Precio: la memoria flash NOR ocupa la mayor parte del mercado de memorias flash con una capacidad de 1-16 MB y se utiliza principalmente en soportes de almacenamiento de código, por lo que su precio es más elevado que el de la NAND.
Comparación de fiabilidad y durabilidad
1. Durabilidad (vida útil)
En la memoria flash NAND, el número máximo de borrados y escrituras de cada bloque es de un millón de veces, mientras que en la NOR es de 100 000 veces.
2. Intercambio de bits
Todos los dispositivos Flash sufren de intercambio de bits: en determinadas condiciones, un bit se invierte o se informa como invertido. Si esto ocurre con un archivo crítico, puede provocar graves interrupciones en el sistema. Tras un cambio de bits, un bit se invierte o se informa como invertido. Este problema es más habitual en las memorias flash NAND. Los proveedores de NAND recomiendan utilizar algoritmos EDC/ECC cuando se utilizan memorias flash NAND.
3. Procesamiento de bloques defectuosos
Los bloques defectuosos en los dispositivos NAND se distribuyen aleatoriamente. Los dispositivos NAND requieren un escaneo inicial del soporte para encontrar los bloques defectuosos y marcarlos como inutilizables. En los dispositivos fabricados, si este proceso no se realiza mediante métodos fiables, se producen altas tasas de fallo.
Comparación de uso
El uso de la memoria flash NAND es más complicado, y es necesario escribir el controlador antes de continuar con otras operaciones. Escribir información en el dispositivo NAND también requiere ciertas habilidades, y es necesario realizar un mapeo virtual de principio a fin.
El uso de NOR Flash es relativamente sencillo, se puede utilizar directamente la memoria flash basada en NOR, se puede conectar como otras memorias y se puede ejecutar código directamente en ella.
Comparación de asistencia técnica para software
Cuando se ejecuta código en dispositivos NAND, normalmente se requiere un controlador, también conocido como controlador de tecnología de memoria (MTD), pero no se necesita ningún soporte de software cuando se utilizan dispositivos NOR. Ambos requieren MTD para las operaciones de escritura y borrado.
¿Cómo funcionan las memorias flash NOR y NAND?
Método de almacenamiento de datos
Tanto las memorias flash NOR como las NAND utilizan dispositivos de tres terminales como unidades de almacenamiento, que son la fuente, el drenaje y la puerta. El principio de funcionamiento es el mismo que el de los transistores de efecto de campo, utilizando principalmente el efecto del campo eléctrico para controlar la fuente y el drenaje. El consumo de corriente de la puerta es extremadamente pequeño. La diferencia es que el transistor de efecto de campo tiene una estructura de puerta única, mientras que la memoria flash tiene una estructura de puerta doble, y se añade una puerta flotante entre la puerta y el sustrato de silicio. La puerta flotante está hecha de nitruro intercalado entre dos capas de material de dióxido de silicio. El nitruro del medio es el pozo de potencial de carga que puede almacenar carga. El espesor de las capas de óxido superior e inferior es superior a 50 angstroms para evitar la ruptura.
Recarga de la puerta flotante
El proceso de escribir datos en la celda de datos es el proceso de inyectar carga en el pozo de potencial de carga. Existen dos técnicas para escribir datos: la inyección de electrones calientes y el efecto túnel F-N (efecto túnel Fowler Nordheim). La primera consiste en alimentar la puerta flotante a través de la fuente de carga, mientras que la segunda consiste en cargar la puerta flotante a través de la capa base de silicio. La memoria Flash de tipo NOR carga la puerta flotante mediante la inyección de electrones calientes, mientras que la NAND carga la puerta flotante mediante el efecto de túnel F-N. Antes de escribir nuevos datos, primero hay que borrar los datos originales. Esto difiere del disco duro, es decir, se libera la carga de la puerta flotante. Ambos tipos de memoria Flash se descargan mediante el efecto de túnel F-N.
Modo de conexión y direccionamiento
Los dos tipos de Flash tienen la misma unidad de almacenamiento y el principio de funcionamiento es el mismo. Para acortar el tiempo de acceso, no se trata de una operación de acceso independiente para cada unidad, sino de una operación colectiva para un número determinado de unidades de acceso.
Las unidades de almacenamiento de Flash de tipo NAND están conectadas en serie, mientras que las unidades de FLASH de tipo NOR están conectadas en paralelo; para gestionar eficazmente todas las unidades de almacenamiento, estas deben tener una dirección uniforme. Los dispositivos NAND utilizan puertos de E/S multiplexados para acceder a los datos, y se utilizan 8 pines para transmitir la información de control, dirección y datos en tiempo compartido. Todas las unidades de almacenamiento de NAND se dividen en varios bloques, y cada bloque se divide en varias páginas, cada página tiene 512 bytes, es decir, 512 números de 8 dígitos, es decir, cada página tiene 512 líneas de bits, cada línea de bits tiene 8 unidades de almacenamiento; por lo tanto, cada vez que NAND lee datos, especifica la dirección del bloque, la dirección de la página y la dirección de la columna (la dirección de columna es la dirección inicial en la página leída).
Cada unidad de almacenamiento de NOR está conectada a la línea de bits en paralelo, tiene una interfaz SRAM, hay suficientes pines de dirección para direccionar y es fácil acceder a cada byte dentro de ella. Es conveniente para el acceso aleatorio a cada bit y no necesita un controlador; tiene una línea de dirección dedicada, que puede realizar un direccionamiento directo de una sola vez; acorta el tiempo de ejecución de Flash a las instrucciones del procesador.
Aplicación de NOR y NAND Flash
Memoria flash NOR
La memoria flash NOR se utiliza principalmente para almacenar y ejecutar código y datos en dispositivos como microcontroladores, sistemas integrados, cámaras digitales, teléfonos inteligentes y unidades de estado sólido (SSD).
Memoria flash NAND
La aplicación de la memoria flash NAND en el almacenamiento de estado sólido puede extenderse a los campos militar, automovilístico, control industrial, videovigilancia, supervisión de redes, terminales de red, energía eléctrica, medicina, aviación, equipos de navegación y otros.
Por lo tanto, la memoria flash NOR es más adecuada para situaciones en las que se realizan lecturas y escrituras aleatorias con frecuencia. Se suele utilizar para almacenar códigos de programas y ejecutarlos directamente en la memoria flash. Los teléfonos móviles son grandes usuarios de la memoria flash NOR, mientras que la memoria flash NAND se utiliza principalmente para almacenar datos. Nuestros productos de memoria flash de uso común, como las unidades flash y las tarjetas de memoria digital, utilizan memoria flash NAND.
