Introduzione a NOR Flash e NAND Flash
NOR Flash
Intel ha sviluppato per la prima volta la tecnologia Nor Flash nel 1988. Nor Flash è caratterizzata dall’esecuzione on-chip (XIP, eXecute In Place) e la sua lettura è simile alla lettura casuale della nostra comune SDRAM. Gli utenti possono eseguire direttamente il programma caricato sulla Nor Flash Il codice all’interno, che può ridurre la capacità di SRAM e risparmiare sui costi. Grazie alla sua elevata velocità di lettura e alla minore propensione agli errori, viene utilizzato principalmente per memorizzare informazioni importanti come programmi e sistemi operativi.
NAND Flash
Nel 1989, Toshiba Corporation ha pubblicato la struttura Nand Flash, sottolineando il costo per bit inferiore, le prestazioni più elevate e la possibilità di essere facilmente aggiornata tramite l’interfaccia come un disco. Nand Flash non adotta la tecnologia di lettura casuale della memoria. Legge sotto forma di lettura di un blocco alla volta, di solito 512 byte alla volta. L’implementazione della memoria fornisce una soluzione economica ed efficace.
La memoria flash Nand ha i vantaggi di una grande capacità e di una velocità di riscrittura elevata ed è adatta per memorizzare grandi quantità di dati, quindi è sempre più ampiamente utilizzata, come prodotti embedded tra cui telefoni cellulari, fotocamere digitali e chiavette USB.
NOR Flash Vs. NAND Flash
NOR e NAND sono le due principali tecnologie di memoria flash non volatile sul mercato. Intel ha sviluppato per la prima volta la tecnologia NOR flash nel 1988, che ha completamente cambiato la situazione in cui il mercato era monopolizzato da EPROM e EEPROM. Quindi, nel 1989, Toshiba ha rilasciato la struttura NAND flash, sottolineando la riduzione del costo per bit, prestazioni più elevate e la possibilità di essere facilmente aggiornata tramite l’interfaccia come un disco. Qui spieghiamo la differenza tra loro:
| 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) |
Confronto delle prestazioni
La memoria flash è una memoria non volatile che può essere cancellata, scritta e riprogrammata in blocchi di celle di memoria chiamati blocchi. L’operazione di scrittura di qualsiasi dispositivo flash può essere eseguita solo in celle vuote o cancellate, quindi nella maggior parte dei casi, la cancellazione deve essere eseguita prima dell’operazione di scrittura.
È molto semplice per i dispositivi NAND eseguire operazioni di cancellazione, mentre NOR richiede che tutti i bit nel blocco di destinazione vengano scritti a 0 prima della cancellazione. Poiché la cancellazione dei dispositivi NOR viene eseguita in blocchi di 64-128 KB, il tempo per eseguire un’operazione di scrittura/cancellazione è di 5 secondi. Al contrario, la cancellazione dei dispositivi NAND viene eseguita in blocchi di 8-32 KB. L’operazione richiede solo 4 ms al massimo. La differenza nelle dimensioni del blocco durante l’esecuzione della cancellazione allarga ulteriormente il divario di prestazioni tra NOR e NAND, le statistiche mostrano che per un dato set di operazioni di scrittura (specialmente quando si aggiornano file di piccole dimensioni), è necessario eseguire più operazioni di cancellazione in unità basate su NOR. Pertanto, i progettisti devono valutare i seguenti fattori quando selezionano una soluzione di archiviazione.
- La velocità di lettura di NOR è leggermente più veloce di quella di NAND.
- La velocità di scrittura di NAND è molto più veloce di quella di NOR.
- La velocità di cancellazione di 4 ms di NAND è molto più veloce dei 5 secondi di NOR.
- La maggior parte delle operazioni di scrittura richiede prima un’operazione di cancellazione.
- L’unità di cancellazione di NAND è più piccola e il circuito di cancellazione corrispondente è inferiore.
Inoltre, l’applicazione effettiva di NAND è molto più complicata di quella di NOR. NOR può essere utilizzato direttamente e il codice può essere eseguito direttamente su di esso; mentre NAND richiede un’interfaccia I/O, quindi è necessario un driver per l’uso. Tuttavia, i sistemi operativi popolari di oggi supportano Flash strutturato NAND. Inoltre, il kernel Linux fornisce anche supporto per Flash strutturato NAND.
Confronto dell'interfaccia
I dispositivi NAND utilizzano porte I/O complesse per accedere ai dati in modo seriale e i metodi di ciascun prodotto o produttore possono variare. 8 pin vengono utilizzati per trasmettere informazioni di controllo, indirizzo e dati.
NOR Flash ha un’interfaccia SRAM, ha pin di indirizzo sufficienti per indirizzare e può accedere facilmente a ogni byte al suo interno.
Confronto tra capacità e costo
NAND Flash è utilizzato principalmente in prodotti da 8 a 128 MB, adatto per l’archiviazione dei dati, e le sue dimensioni unitarie sono quasi la metà di quelle dei dispositivi NOR, e la struttura può anche fornire una capacità maggiore all’interno di una data dimensione dello stampo, riducendo così i costi di conseguenza. Prezzo: NOR Flash occupa la maggior parte del mercato della memoria flash con una capacità da 1 a 16 MB, ed è utilizzato principalmente come supporto di archiviazione del codice, e il suo prezzo sarà più alto di quello di NAND.
Confronto tra affidabilità e durata
1. Durata (vita)
Nella memoria flash NAND, il numero massimo di cancellazioni e scritture di ciascun blocco è di un milione di volte, mentre quello di NOR è di 100.000 volte.
2. Scambio di bit
Tutti i dispositivi Flash soffrono di scambio di bit: in determinate condizioni, un bit viene invertito o segnalato come invertito. Se ciò accade a un file critico, può causare seri tempi di inattività del sistema. Dopo un cambio di bit, un bit viene invertito o segnalato come invertito. Questo problema è più comune nella memoria flash NAND. I fornitori di NAND raccomandano di utilizzare algoritmi EDC/ECC quando si utilizza la memoria flash NAND.
3. Elaborazione dei blocchi danneggiati
I blocchi danneggiati nei dispositivi NAND sono distribuiti in modo casuale. I dispositivi NAND richiedono una scansione iniziale del supporto per trovare i blocchi danneggiati e contrassegnare i blocchi danneggiati come inutilizzabili. Nei dispositivi fabbricati, la mancata esecuzione di questo processo con metodi affidabili si traduce in elevati tassi di guasto.
Confronto dell'utilizzo
L’utilizzo di NAND Flash è più complicato e il driver deve essere scritto prima di continuare a eseguire altre operazioni. La scrittura di informazioni sul dispositivo NAND richiede anche determinate competenze e la mappatura virtuale deve essere eseguita dall’inizio alla fine.
L’utilizzo di NOR Flash è relativamente semplice, è possibile utilizzare direttamente la memoria flash basata su NOR, è possibile collegarla come altre memorie ed è possibile eseguire direttamente il codice su di essa.
Confronto del supporto software
Quando si esegue il codice sui dispositivi NAND, è in genere necessario un driver, noto anche come driver della tecnologia di memoria (MTD), ma non è necessario alcun supporto software quando si utilizzano i dispositivi NOR. Entrambi richiedono MTD per le operazioni di scrittura e cancellazione.
Come funzionano NOR e NAND Flash?
Metodo di archiviazione dei dati
Sia le memorie flash NOR che NAND utilizzano dispositivi a tre terminali come unità di archiviazione, che sono sorgente, drain e gate. Il principio di funzionamento è lo stesso di quello dei transistor a effetto di campo, utilizzando principalmente l’effetto del campo elettrico per controllare la sorgente e il drain. Il consumo di corrente del gate è estremamente piccolo. La differenza è che il transistor a effetto di campo ha una struttura a gate singolo, mentre Flash ha una struttura a doppio gate e un gate flottante è aggiunto tra il gate e il substrato di silicio. . Il gate flottante è realizzato in nitruro inserito tra due strati di materiale di ossido di silicio. Il nitruro al centro è il potenziale di carica che può immagazzinare carica. Lo spessore degli strati di ossido superiore e inferiore è maggiore di 50 angstrom per evitare il breakdown.
Ricarica del gate flottante
Il processo di scrittura dei dati nella cella di dati è il processo di iniezione di carica nel pozzo di potenziale di carica. Esistono due tecniche per la scrittura dei dati, l’iniezione di elettroni caldi e il tunneling F-N (tunneling di Fowler Nordheim). Il primo consiste nell’alimentare il gate flottante attraverso la carica della sorgente, il secondo consiste nel caricare il gate flottante attraverso lo strato di base in silicio. La Flash di tipo NOR carica il gate flottante tramite iniezione di elettroni caldi, mentre la NAND carica il gate flottante tramite l’effetto di tunneling F-N. Prima di scrivere nuovi dati, i dati originali devono essere cancellati. Questo è diverso dall’hard disk, ovvero la carica sul gate flottante viene rilasciata. Entrambi i tipi di Flash vengono scaricati tramite l’effetto di tunneling F-N.
Connessione e modalità di indirizzamento
I due tipi di Flash hanno la stessa unità di archiviazione e lo stesso principio di funzionamento. Per ridurre il tempo di accesso, non si tratta di un’operazione di accesso separata per ogni unità, ma di un’operazione collettiva per un certo numero di unità di accesso.
Le unità di archiviazione della Flash di tipo NAND sono collegate in serie, mentre le unità della FLASH di tipo NOR sono collegate in parallelo; per gestire efficacemente tutte le unità di archiviazione, le unità di archiviazione devono essere indirizzate in modo uniforme. I dispositivi NAND utilizzano porte I/O multiplexate per accedere ai dati e 8 pin vengono utilizzati per trasmettere informazioni di controllo, indirizzo e dati in time-sharing. Tutte le unità di archiviazione NAND sono divise in diversi blocchi e ogni blocco è diviso in diverse pagine, ogni pagina è di 512 byte, ovvero 512 numeri di 8 cifre, ovvero ogni pagina ha 512 linee di bit, ogni linea di bit ha 8 unità di archiviazione; quindi ogni volta che la NAND legge i dati, specifica l’indirizzo del blocco, l’indirizzo della pagina e l’indirizzo della colonna (l’indirizzo della colonna è l’indirizzo di partenza nella pagina letta).
Ogni unità di archiviazione NOR è collegata alla linea di bit in parallelo, ha un’interfaccia SRAM, ci sono pin di indirizzo sufficienti per indirizzare e facilita l’accesso a ogni byte al suo interno. È conveniente per l’accesso casuale a ogni bit e non richiede un driver; ha una linea di indirizzo dedicata, che può realizzare un indirizzamento diretto una tantum; riduce il tempo di esecuzione delle istruzioni Flash al processore.
Applicazione di NOR e NAND Flash
NOR Flash
La flash NOR è principalmente utilizzata per archiviare ed eseguire codice e dati in dispositivi come microcontrollori, sistemi embedded, fotocamere digitali, smartphone e unità a stato solido (SSD).
NAND Flash
L’applicazione della flash NAND nell’archiviazione a stato solido può essere estesa a settori militare, veicolare, controllo industriale, videosorveglianza, monitoraggio di rete, terminali di rete, energia elettrica, medico, aviazione, apparecchiature di navigazione e altri settori.
Pertanto, la flash NOR è più adatta per occasioni di lettura e scrittura casuali frequenti. Viene solitamente utilizzata per archiviare codici di programma ed eseguirli direttamente nella memoria flash. I telefoni cellulari sono i principali utilizzatori che utilizzano la memoria flash NOR; la flash NAND è principalmente utilizzata per archiviare dati. I nostri prodotti di memoria flash comunemente usati, come le chiavette USB e le schede di memoria digitali, utilizzano tutti la memoria flash NAND.
