Introdução à NOR Flash e NAND Flash
Flash NOR
A Intel desenvolveu pela primeira vez a tecnologia Nor Flash em 1988. A Nor Flash é caracterizada pela execução no chip (XIP, eXecute In Place) e sua leitura é semelhante à forma de leitura aleatória da nossa SDRAM comum. Os usuários podem executar diretamente o programa carregado no Nor Flash. O código interno pode reduzir a capacidade da SRAM e economizar custos. Devido à sua rápida velocidade de leitura e menor propensão a erros, ele é usado principalmente para armazenar informações importantes, como programas e sistemas operacionais.
Flash NAND
Em 1989, a Toshiba Corporation publicou a estrutura Nand Flash, enfatizando o menor custo por bit, maior desempenho e a facilidade de atualização através da interface, como um disco. A Nand Flash não adota a tecnologia de leitura aleatória da memória. Ela lê na forma de um bloco de cada vez, geralmente 512 bytes por vez. A implementação da memória oferece uma solução barata e eficaz.
A memória flash Nand tem as vantagens de grande capacidade e velocidade de reescrita rápida, sendo adequada para armazenar grandes quantidades de dados, por isso é cada vez mais utilizada, como em produtos incorporados, incluindo telefones celulares, câmeras digitais e discos U.
NOR Flash vs. NAND Flash
NOR e NAND são as duas principais tecnologias de memória flash não volátil disponíveis no mercado. A Intel desenvolveu pela primeira vez a tecnologia flash NOR em 1988, o que mudou completamente a situação em que o mercado era monopolizado pela EPROM e EEPROM. Em seguida, em 1989, a Toshiba lançou a estrutura flash NAND, enfatizando a redução do custo por bit, maior desempenho e a facilidade de atualização através da interface, como um disco. Aqui explicamos a diferença entre elas:
| 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) |
Comparação de desempenho
A memória flash é uma memória não volátil que pode ser apagada, gravada e reprogramada em blocos de células de memória chamados blocos. A operação de gravação de qualquer dispositivo flash só pode ser realizada em células vazias ou apagadas, portanto, na maioria dos casos, o apagamento deve ser realizado antes da operação de gravação.
É muito simples para os dispositivos NAND realizarem operações de apagamento, enquanto os NOR exigem que todos os bits no bloco de destino sejam gravados como 0 antes do apagamento. Como o apagamento dos dispositivos NOR é realizado em blocos de 64-128 KB, o tempo para realizar uma operação de gravação/apagamento é de 5 s. Por outro lado, o apagamento dos dispositivos NAND é realizado em blocos de 8-32 KB. A operação leva apenas 4 ms, no máximo. A diferença no tamanho do bloco ao realizar o apagamento amplia ainda mais a diferença de desempenho entre NOR e NAND. As estatísticas mostram que, para um determinado conjunto de operações de gravação (especialmente ao atualizar arquivos pequenos), mais operações de apagamento devem ser realizadas em unidades baseadas em NOR. Portanto, os projetistas devem ponderar os seguintes fatores ao selecionar uma solução de armazenamento.
- A velocidade de leitura do NOR é ligeiramente mais rápida do que a do NAND.
- A velocidade de gravação do NAND é muito mais rápida do que a do NOR.
- A velocidade de apagamento de 4 ms do NAND é muito mais rápida do que a de 5 s do NOR.
- A maioria das operações de gravação requer primeiro uma operação de apagamento.
- A unidade de apagamento do NAND é menor e o circuito de apagamento correspondente é menor.
Além disso, a aplicação real do NAND é muito mais complicada do que a do NOR. O NOR pode ser usado diretamente e o código pode ser executado diretamente nele; enquanto o NAND requer uma interface de E/S, portanto, um driver é necessário para uso. No entanto, os sistemas operacionais populares atuais suportam Flash com estrutura NAND. Além disso, o kernel Linux também oferece suporte para Flash com estrutura NAND.
Comparação de interfaces
Os dispositivos NAND utilizam portas de E/S complexas para aceder aos dados em série, e os métodos de cada produto ou fabricante podem variar. São utilizados 8 pinos para transmitir informações de controlo, endereço e dados.
A NOR Flash tem uma interface SRAM, possui pinos de endereço suficientes para endereçar e pode aceder facilmente a todos os bytes dentro dela.
Comparação de capacidade e custo
A memória flash NAND é usada principalmente em produtos de 8 a 128 MB, adequados para armazenamento de dados, e seu tamanho unitário é quase metade do tamanho dos dispositivos NOR. Além disso, sua estrutura também pode oferecer maior capacidade dentro de um determinado tamanho de molde, reduzindo assim o custo. Preço: a memória flash NOR ocupa a maior parte do mercado de memórias flash, com capacidade de 1 a 16 MB, e é usada principalmente em mídias de armazenamento de código. Seu preço é mais alto do que o da NAND.
Comparação de confiabilidade e durabilidade
1. Durabilidade (vida útil)
Na memória flash NAND, o número máximo de apagamentos e gravações de cada bloco é de um milhão de vezes, enquanto que na NOR é de 100.000 vezes.
2. Troca de bits
Todos os dispositivos Flash sofrem de troca de bits: sob certas condições, um bit é invertido ou relatado como invertido. Se isso acontecer com um arquivo crítico, pode causar sérios problemas de inatividade do sistema. Após uma alteração de bit, um bit é invertido ou relatado como invertido. Esse problema é mais comum na memória flash NAND. Os fornecedores de NAND recomendam o uso de algoritmos EDC/ECC ao usar memória flash NAND.
3. Processamento de blocos defeituosos
Os blocos defeituosos nos dispositivos NAND estão distribuídos aleatoriamente. Os dispositivos NAND requerem uma verificação inicial da mídia para localizar os blocos defeituosos e marcá-los como inutilizáveis. Nos dispositivos fabricados, a falha em realizar esse processo por métodos confiáveis resulta em altas taxas de falha.
Comparação de uso
O uso do NAND Flash é mais complicado, e o driver deve ser escrito antes de continuar a realizar outras operações. Escrever informações no dispositivo NAND também requer certas habilidades, e o mapeamento virtual deve ser realizado do início ao fim.
O uso do NOR Flash é relativamente simples, você pode usar diretamente a memória flash baseada em NOR, conectá-la como outras memórias e executar o código diretamente nela.
Comparação de suporte de software
Ao executar código em dispositivos NAND, geralmente é necessário um driver, também conhecido como driver de tecnologia de memória (MTD), mas não é necessário suporte de software ao usar dispositivos NOR. Ambos requerem MTD para operações de gravação e apagamento.
Como funcionam as memórias flash NOR e NAND?
Método de armazenamento de dados
Tanto as memórias flash NOR como as NAND utilizam dispositivos de três terminais como unidades de armazenamento, que são a fonte, o dreno e a porta. O princípio de funcionamento é o mesmo dos transístores de efeito de campo, utilizando principalmente o efeito do campo elétrico para controlar a fonte e o dreno. O consumo de corrente da porta é extremamente reduzido. A diferença é que o transistor de efeito de campo tem uma estrutura de porta única, enquanto o Flash tem uma estrutura de porta dupla, e uma porta flutuante é adicionada entre a porta e o substrato de silício. A porta flutuante é feita de nitreto imprensado entre duas camadas de material de dióxido de silício. O nitreto no meio é o poço de potencial de carga que pode armazenar carga. A espessura das camadas de óxido superior e inferior é superior a 50 angstroms para evitar quebra.
Recarga da porta flutuante
O processo de gravação de dados na célula de dados é o processo de injeção de carga no poço de potencial de carga. Existem duas técnicas para gravar dados: injeção de elétrons quentes e tunelamento F-N (tunelamento Fowler Nordheim). A primeira consiste em alimentar a porta flutuante através da fonte de carga, enquanto a segunda consiste em carregar a porta flutuante através da camada base de silício. O Flash do tipo NOR carrega o portão flutuante através da injeção de elétrons quentes, enquanto o NAND carrega o portão flutuante através do efeito de tunelamento F-N. Antes de gravar novos dados, os dados originais devem ser apagados primeiro. Isso é diferente do disco rígido, ou seja, a carga no portão flutuante é liberada. Ambos os tipos de Flash são descarregados através do efeito de tunelamento F-N.
Modo de conexão e endereçamento
Os dois tipos de Flash têm a mesma unidade de armazenamento e o princípio de funcionamento é o mesmo. Para reduzir o tempo de acesso, não se trata de uma operação de acesso separada para cada unidade, mas sim de uma operação coletiva para um determinado número de unidades de acesso.
As unidades de armazenamento do Flash do tipo NAND são conectadas em série, enquanto as unidades do FLASH do tipo NOR são conectadas em paralelo; para gerenciar efetivamente todas as unidades de armazenamento, elas devem ser endereçadas uniformemente. Os dispositivos NAND usam portas de E/S multiplexadas para acessar dados, e 8 pinos são usados para transmitir informações de controle, endereço e dados em tempo compartilhado. Todas as unidades de armazenamento do NAND são divididas em vários blocos, e cada bloco é dividido em várias páginas, cada página tem 512 bytes, ou seja, 512 números de 8 dígitos, ou seja, cada página tem 512 linhas de bits, cada linha de bits tem 8 unidades de armazenamento; portanto, cada vez que o NAND lê dados, ele especifica o endereço do bloco, o endereço da página e o endereço da coluna (o endereço da coluna é o endereço inicial na página lida).
Cada unidade de armazenamento do NOR é conectada à linha de bits em paralelo, possui uma interface SRAM, há pinos de endereço suficientes para endereçar e é fácil acessar cada byte dentro dele. É conveniente para acesso aleatório a cada bit e não precisa de driver; possui uma linha de endereço dedicada, que pode realizar endereçamento direto único; reduz o tempo de execução do Flash para instruções do processador.
Aplicação de NOR e NAND Flash
Flash NOR
A memória flash NOR é utilizada principalmente para armazenar e executar códigos e dados em dispositivos como microcontroladores, sistemas embarcados, câmeras digitais, smartphones e unidades de estado sólido (SSDs).
Flash NAND
A aplicação da memória flash NAND em armazenamento de estado sólido pode ser estendida para os campos militar, automotivo, controle industrial, vigilância por vídeo, monitoramento de rede, terminais de rede, energia elétrica, médico, aviação, equipamentos de navegação e outros.
Portanto, a memória flash NOR é mais adequada para ocasiões de leitura e gravação aleatórias frequentes. Ela é geralmente usada para armazenar códigos de programa e executar diretamente na memória flash. Os telefones celulares são grandes usuários da memória flash NOR; a memória flash NAND é usada principalmente para armazenar dados. Nossos produtos de memória flash comumente usados, como drives flash e cartões de memória digital, usam memória flash NAND.
