NOR Flash ve NAND Flash'a Giriş
NOR Flash
Intel, NOR Flash teknolojisini ilk olarak 1988 yılında geliştirdi. NOR Flash, yonga üzerinde yürütme (XIP, eXecute In Place) özelliği ile öne çıkar ve okuma şekli, yaygın olarak kullanılan SDRAM’lerin rastgele okuma biçimine benzer. Kullanıcılar, Nor Flash'a yüklenen programı doğrudan çalıştırabilirler. İçindeki kod, SRAM kapasitesini azaltabilir ve maliyet tasarrufu sağlayabilir. Hızlı okuma hızı ve hataya daha az yatkın olması nedeniyle, çoğunlukla programlar ve işletim sistemleri gibi önemli bilgileri depolamak için kullanılır.
NAND Flash
1989 yılında Toshiba Corporation, bit başına daha düşük maliyet ve daha yüksek performansa vurgu yapan NAND Flash yapısını tanıttı; bu yapı, bir disk gibi arayüz üzerinden kolayca güncellenebilmektedir. NAND Flash, belleklerin rastgele okuma teknolojisini kullanmaz. Genellikle bir seferde 512 bayt olmak üzere, her seferinde tek bir blok okuma şeklinde çalışır. Bu bellek yapısı, ucuz ve etkili bir çözüm sunmaktadır.
Nand flash bellek, büyük kapasite ve hızlı yeniden yazma hızı gibi avantajlara sahiptir ve büyük miktarda veriyi depolamak için uygundur, bu nedenle cep telefonları, dijital kameralar ve U diskler gibi gömülü ürünlerde giderek daha yaygın olarak kullanılmaktadır.
NOR Flash ve NAND Flash
NOR ve NAND, piyasadaki iki ana kalıcı flash bellek teknolojisidir. Intel, 1988 yılında NOR flash teknolojisini geliştirdi ve bu, pazarın EPROM ve EEPROM tarafından tekelleştirildiği durumu tamamen değiştirdi. Ardından, 1989 yılında Toshiba, bit başına maliyetin düşürülmesini ve daha yüksek performansı vurgulayan NAND flash yapısını piyasaya sürdü; bu yapı, bir disk gibi arayüz üzerinden kolayca yükseltilebilir. Burada ikisi arasındaki farkı açıklıyoruz:
| 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) |
Performans Karşılaştırması
Flash bellek, bloklar olarak adlandırılan bellek hücreleri blokları halinde silinebilen, yazılabilen ve yeniden programlanabilen kalıcı bir bellek türüdür. Herhangi bir flash cihazında yazma işlemi yalnızca boş veya silinmiş hücrelere gerçekleştirilebilir; bu nedenle çoğu durumda yazma işleminden önce silme işleminin yapılması gerekir.
NAND cihazlarında silme işlemlerini gerçekleştirmek çok basittir, oysa NOR'da silme işleminden önce hedef bloktaki tüm bitlerin 0 olarak yazılması gerekir. NOR cihazlarının silme işlemi 64-128 KB'lık bloklar halinde gerçekleştirildiğinden, yazma/silme işleminin süresi 5 saniyedir. Buna karşılık, NAND cihazlarının silme işlemi 8-32 KB'lık bloklar halinde gerçekleştirilir. İşlem en fazla 4 ms sürer. Silme işlemi sırasında blok boyutundaki fark, NOR ve NAND arasındaki performans farkını daha da artırır; istatistikler, belirli bir yazma işlemi kümesi için (özellikle küçük dosyaları güncellerken) NOR tabanlı birimlerde daha fazla silme işlemi gerçekleştirilmesi gerektiğini göstermektedir. Bu nedenle, tasarımcılar bir depolama çözümü seçerken aşağıdaki faktörleri göz önünde bulundurmalıdır.
- NOR'un okuma hızı, NAND'ın okuma hızından biraz daha yüksektir.
- NAND'ın yazma hızı, NOR'unkinden çok daha yüksektir.
- NAND'ın 4 ms'lik silme hızı, NOR'un 5 saniyelik hızından çok daha yüksektir.
- Çoğu yazma işlemi için önce bir silme işlemi gerekir.
- NAND'ın silme birimi daha küçüktür ve ilgili silme devresi daha azdır.
Ayrıca, NAND'ın gerçek uygulaması NOR'unkinden çok daha karmaşıktır. NOR doğrudan kullanılabilir ve kod doğrudan üzerinde çalıştırılabilir; oysa NAND bir I/O arabirimi gerektirir, bu nedenle kullanım için bir sürücü gereklidir. Ancak, günümüzün popüler işletim sistemleri NAND yapılı Flash'ı desteklemektedir. Ayrıca, Linux çekirdeği de NAND yapılı Flash için destek sağlamaktadır.
Arayüz Karşılaştırması
NAND cihazları, verilere seri olarak erişmek için karmaşık G/Ç bağlantı noktaları kullanır ve her ürün veya üreticinin kullandığı yöntemler farklılık gösterebilir. Kontrol, adres ve veri bilgilerinin iletilmesi için 8 pin kullanılır.
NOR Flash ise bir SRAM arabirimine sahiptir, adresleme için yeterli sayıda adres pinine sahiptir ve içindeki her bayta kolayca erişebilir.
Kapasite ve Maliyet Karşılaştırması
NAND Flash, esas olarak 8-128 MB'lık ürünlerde kullanılır ve veri depolamaya uygundur; birim boyutu NOR cihazlarının neredeyse yarısı kadardır. Ayrıca, bu yapı belirli bir kalıp boyutu içinde daha yüksek kapasite sunabilir ve böylece maliyeti de buna bağlı olarak düşürür. Fiyat: NOR Flash, 1-16 MB kapasite aralığıyla flash bellek pazarının büyük bir kısmını kaplar ve esas olarak kod depolama ortamlarında kullanılır; fiyatı ise NAND'a göre daha yüksektir.
Güvenilirlik ve Dayanıklılık Karşılaştırması
1. Dayanıklılık (kullanım ömrü)
NAND flash bellekte her bloğun silme ve yazma işlemlerinin maksimum sayısı bir milyon kez iken, NOR bellekte bu sayı 100.000'dir.
2. Bit değiştirme
Tüm Flash aygıtlarda bit tersine dönme sorunu görülür: belirli koşullar altında bir bit tersine döner veya tersine dönmüş olarak rapor edilir. Bu durum kritik bir dosyada meydana gelirse, ciddi sistem kesintilerine yol açabilir. Bir bit değişikliğinden sonra, bir bit tersine döner veya tersine dönmüş olarak rapor edilir. Bu sorun, NAND flash belleklerde daha yaygındır. NAND tedarikçileri, NAND flash bellek kullanılırken EDC/ECC algoritmalarının kullanılmasını önermektedir.
3. Bozuk blok işleme
NAND cihazlarındaki bozuk bloklar rastgele dağılmıştır. NAND cihazlarında, bozuk blokları tespit etmek ve bunları kullanılamaz olarak işaretlemek için ortamın ilk taraması gerekir. Üretilen cihazlarda, bu işlemin güvenilir yöntemlerle gerçekleştirilmemesi, yüksek arıza oranlarına yol açar.
Kullanım Karşılaştırması
NAND Flash'ın kullanımı daha karmaşıktır ve diğer işlemlere geçmeden önce sürücünün yazılması gerekir. NAND aygıtına bilgi yazmak da belirli beceriler gerektirir ve sanal eşleme baştan sona gerçekleştirilmelidir.
NOR Flash kullanımı nispeten basittir; NOR tabanlı flash belleği doğrudan kullanabilir, diğer bellekler gibi bağlayabilir ve üzerinde doğrudan kod çalıştırabilirsiniz.
Yazılım Desteği Karşılaştırması
NAND aygıtlarında kod çalıştırılırken, genellikle bellek teknolojisi sürücüsü (MTD) olarak da bilinen bir sürücü gereklidir; ancak NOR aygıtları kullanılırken herhangi bir yazılım desteğine gerek yoktur. Her ikisi de yazma ve silme işlemleri için MTD gerektirir.
NOR ve NAND Flash Nasıl Çalışır?
Veri Saklama Yöntemi
Hem NOR hem de NAND flash bellekler, depolama birimleri olarak kaynak, drenaj ve geçit olmak üzere üç uçlu elemanlar kullanır. Çalışma prensibi, esas olarak elektrik alanının etkisini kullanarak kaynak ve drenajı kontrol eden alan etkili transistörlerinkiyle aynıdır. Geçidin akım tüketimi son derece düşüktür. Aradaki fark, alan etkili transistörün tek geçit yapısına sahip olması, Flash'ın ise çift geçit yapısına sahip olması ve geçit ile silikon alt tabaka arasına bir yüzer geçit eklenmesidir. Yüzer geçit, iki silikon dioksit tabakası arasına sıkıştırılmış nitrürden yapılmıştır. Ortadaki nitrür, yük depolayabilen yük potansiyel kuyusudur. Arızayı önlemek için üst ve alt oksit tabakalarının kalınlığı 50 angstromdan fazladır.
Yüzer Kapaklı Valfin Yeniden Boşaltılması
Veri hücresine veri yazma işlemi, yük potansiyel kuyusuna yük enjekte etme sürecidir. Veri yazmak için iki teknik vardır: sıcak elektron enjeksiyonu ve F-N tünelleme (Fowler-Nordheim tünelleme). İlki, kaynak üzerinden yüzen geçidi şarj etmeyi; ikincisi ise silikon taban katmanı üzerinden yüzen geçidi şarj etmeyi içerir. NOR tipi Flash, yüzen geçidi sıcak elektron enjeksiyonu yoluyla şarj ederken, NAND ise F-N tünelleme etkisi yoluyla şarj eder. Yeni veriler yazılmadan önce, orijinal verilerin silinmesi gerekir. Bu, sabit diskten farklıdır; yani, yüzen geçidindeki yük serbest bırakılır. Her iki Flash türü de F-N tünelleme etkisi yoluyla boşaltılır.
Bağlantı ve Adresleme Modu
Bu iki Flash türü aynı depolama birimlerine sahiptir ve çalışma prensipleri de aynıdır. Erişim süresini kısaltmak amacıyla, her birim için ayrı bir erişim işlemi gerçekleştirilmez; bunun yerine belirli sayıda erişim birimi için toplu bir işlem yapılır.
NAND tipi Flash'ın depolama birimleri seri olarak bağlanırken, NOR tipi FLASH'ın birimleri paralel olarak bağlanır; tüm depolama birimlerini etkin bir şekilde yönetmek için, depolama birimlerinin adresleri tek tip olmalıdır. NAND cihazları, verilere erişmek için çoklanmış I/O bağlantı noktalarını kullanır ve zaman paylaşımında kontrol, adres ve veri bilgilerini iletmek için 8 pin kullanılır. NAND'ın tüm depolama birimleri birkaç bloğa bölünmüştür ve her blok birkaç sayfaya bölünmüştür; her sayfa 512 bayttır, yani 512 adet 8 basamaklı sayıdır; başka bir deyişle, her sayfada 512 bit hattı vardır ve her bit hattında 8 depolama birimi bulunur; bu nedenle NAND her veri okuduğunda blok adresini, sayfa adresini ve sütun adresini belirtir (sütun adresi, okunan sayfadaki başlangıç adresidir).
NOR'un her bir depolama birimi bit hattına paralel olarak bağlanır, bir SRAM arayüzüne sahiptir, adresleme için yeterli adres pini vardır ve içindeki her bayta erişmek kolaydır. Her bite rastgele erişim için elverişlidir ve bir sürücüye ihtiyaç duymaz; tek seferlik doğrudan adreslemeyi gerçekleştirebilen özel bir adres hattına sahiptir; Flash'ın işlemci komutlarını yürütme süresini kısaltır.
NOR ve NAND Flash'ın Kullanımı
NOR Flash
NOR flash, öncelikle mikrodenetleyiciler, gömülü sistemler, dijital kameralar, akıllı telefonlar ve katı hal sürücüleri (SSD'ler) gibi cihazlarda kod ve verilerin depolanması ve çalıştırılması amacıyla kullanılır.
NAND Flash
NAND flash belleklerin katı hal depolama alanındaki kullanımı, askeri, otomotiv, endüstriyel kontrol, video gözetimi, ağ izleme, ağ terminalleri, elektrik enerjisi, tıp, havacılık, navigasyon ekipmanları ve diğer alanlara da genişletilebilir.
Bu nedenle NOR flash, sık sık rastgele okuma ve yazma işlemlerinin yapıldığı durumlar için daha uygundur. Genellikle program kodlarını depolamak ve doğrudan flash bellekte çalıştırmak amacıyla kullanılır. Cep telefonları, NOR flash belleği en çok kullanan cihazlardır; NAND flash ise esas olarak veri depolamak için kullanılır. Flash sürücüler ve dijital hafıza kartları gibi yaygın olarak kullandığımız flash bellek ürünlerinin tümü NAND flash bellek kullanır.
