Введение в NOR Flash и NAND Flash
NOR-флеш
Intel впервые разработала технологию Nor Flash в 1988 году. Nor Flash характеризуется выполнением на кристалле (XIP, eXecute In Place), а ее чтение сходно с произвольным чтением нашей обычной SDRAM. Пользователи могут напрямую запускать программу, загруженную в Nor Flash. Код внутри может уменьшить емкость SRAM и сэкономить затраты. Благодаря высокой скорости чтения и меньшей подверженности ошибкам, она в основном используется для хранения важной информации, такой как программы и операционные системы.
NAND-флеш
В 1989 году корпорация Toshiba опубликовала структуру Nand Flash, подчеркнув более низкую стоимость за бит, более высокую производительность и возможность легкого обновления через интерфейс, как диск. Nand Flash не использует технологию произвольного чтения памяти. Он считывает данные в виде одного блока за раз, обычно 512 байт за раз. Реализация памяти обеспечивает дешевое и эффективное решение.
Флеш-память Nand имеет преимущества большой емкости и высокой скорости перезаписи и подходит для хранения больших объемов данных, поэтому она все шире используется, например, во встроенных продуктах, включая мобильные телефоны, цифровые камеры и U-диски.
NOR Flash против NAND Flash
NOR и NAND — две основные технологии энергонезависимой флэш-памяти, представленные на рынке. Intel впервые разработала технологию NOR flash в 1988 году, что полностью изменило ситуацию, когда рынок был монополизирован EPROM и EEPROM. Затем, в 1989 году, Toshiba выпустила структуру NAND flash, подчеркнув снижение стоимости за бит, более высокую производительность и возможность легкого обновления через интерфейс, как диск. Здесь мы объясняем разницу между ними:
| 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) |
Сравнение производительности
Флэш-память — это энергонезависимая память, которую можно стирать, записывать и перепрограммировать блоками ячеек памяти, называемыми блоками. Операция записи любого флэш-устройства может выполняться только в пустых или стертых ячейках, поэтому в большинстве случаев перед операцией записи необходимо выполнить стирание.
Для устройств NAND выполнение операций стирания очень просто, в то время как NOR требует, чтобы все биты в целевом блоке были записаны в 0 перед стиранием. Поскольку стирание устройств NOR выполняется блоками по 64-128 КБ, время выполнения операции записи/стирания составляет 5 с. Напротив, стирание устройств NAND выполняется блоками по 8-32 КБ. Операция занимает не более 4 мс. Разница в размере блока при выполнении стирания еще больше увеличивает разрыв в производительности между NOR и NAND. Статистика показывает, что для данного набора операций записи (особенно при обновлении небольших файлов) в устройствах на основе NOR необходимо выполнять больше операций стирания. Таким образом, при выборе решения для хранения данных разработчики должны учитывать следующие факторы.
- Скорость чтения NOR немного выше, чем у NAND.
- Скорость записи NAND значительно выше, чем у NOR.
- Скорость стирания NAND (4 мс) значительно выше, чем у NOR (5 с).
- Большинство операций записи требуют сначала выполнения операции стирания.
- Блок стирания NAND меньше, и соответствующая схема стирания меньше.
Кроме того, фактическое применение NAND гораздо сложнее, чем NOR. NOR можно использовать напрямую, и код можно запускать непосредственно на нем; в то время как NAND требует интерфейса ввода-вывода, поэтому для использования требуется драйвер. Однако популярные сегодня операционные системы поддерживают флэш-память со структурой NAND. Кроме того, ядро Linux также обеспечивает поддержку флэш-памяти со структурой NAND.
Сравнение интерфейсов
Устройства NAND используют сложные порты ввода-вывода для последовательного доступа к данным, и методы каждого продукта или производителя могут различаться. 8 контактов используются для передачи информации управления, адреса и данных.
NOR Flash имеет интерфейс SRAM, достаточное количество контактов для адресации и может легко получить доступ к каждому байту внутри него.
Сравнение мощности и стоимости
NAND Flash в основном используется в продуктах объемом 8-128 МБ, подходит для хранения данных, а размер его единицы почти в два раза меньше, чем у устройств NOR, и его структура также может обеспечить более высокую емкость при заданном размере корпуса, что соответственно снижает стоимость. Цена: NOR Flash занимает большую часть рынка флэш-памяти с емкостью 1-16 МБ и в основном используется в носителях для хранения кода, а его цена будет выше, чем у NAND.
Сравнение надежности и долговечности
1. Долговечность (срок службы)
В флэш-памяти NAND максимальное количество стираний и записей каждого блока составляет один миллион раз, а в NOR — 100 000 раз.
2. Перестановка битов
Все флэш-устройства подвержены битовой перестановке: при определенных условиях бит инвертируется или регистрируется как инвертированный. Если это происходит с важным файлом, это может привести к серьезному простою системы. После изменения бита бит инвертируется или регистрируется как инвертированный. Эта проблема чаще встречается в флэш-памяти NAND. Поставщики NAND рекомендуют использовать алгоритмы EDC/ECC при использовании флэш-памяти NAND.
3. Обработка поврежденных блоков
Неисправные блоки в устройствах NAND распределены случайным образом. Устройства NAND требуют первоначального сканирования носителя для обнаружения неисправных блоков и их маркировки как непригодных для использования. В изготовленных устройствах невыполнение этого процесса с помощью надежных методов приводит к высокой частоте отказов.
Сравнение использования
Использование NAND Flash более сложно, и перед продолжением других операций необходимо написать драйвер. Запись информации в устройство NAND также требует определенных навыков, и необходимо выполнить виртуальное отображение от начала до конца.
Использование NOR Flash относительно просто: можно напрямую использовать флэш-память на основе NOR, подключать ее как другие типы памяти и запускать код непосредственно на ней.
Сравнение поддержки программного обеспечения
При запуске кода на устройствах NAND обычно требуется драйвер, также известный как драйвер технологии памяти (MTD), но при использовании устройств NOR программная поддержка не требуется. Оба типа устройств требуют MTD для операций записи и стирания.
Как работают флэш-память NOR и NAND?
Метод хранения данных
Как NOR, так и NAND флэш-память используют трехконтактные устройства в качестве единиц хранения, которые являются истоком, стоком и затвором. Принцип работы такой же, как у полевых транзисторов, в основном используется эффект электрического поля для управления истоком и стоком. Потребление тока затвором чрезвычайно мало. Разница заключается в том, что полевой транзистор имеет однозатворную структуру, а флэш-память — двухзатворную, причем между затвором и кремниевой подложкой добавлен плавающий затвор. Плавающий затвор изготовлен из нитрида, зажатого между двумя слоями диоксида кремния. Нитрид в середине является потенциальной ямой, которая может хранить заряд. Толщина верхнего и нижнего оксидных слоев превышает 50 ангстрем, чтобы избежать пробоя.
Перезарядка плавающего затвора
Процесс записи данных в ячейку данных представляет собой процесс введения заряда в потенциальную яму заряда. Существует два метода записи данных: введение горячих электронов и туннелирование F-N (туннелирование Фаулера-Нордхайма). Первый метод заключается в подаче заряда на плавающий затвор через источник, второй — в заряде плавающего затвора через кремниевый базовый слой. Флэш-память типа NOR заряжает плавающий затвор посредством впрыска горячих электронов, а NAND — посредством туннелирования F-N. Перед записью новых данных необходимо сначала стереть исходные данные. Это отличается от жесткого диска, то есть заряд на плавающем затворе сбрасывается. Оба типа флэш-памяти разряжаются посредством туннелирования F-N.
Режим подключения и адресации
Оба типа флэш-памяти имеют одинаковые ячейки хранения и одинаковый принцип работы. Чтобы сократить время доступа, операция доступа выполняется не для каждой ячейки отдельно, а для определенного количества ячеек одновременно.
Единицы хранения флэш-памяти типа NAND соединены последовательно, а единицы флэш-памяти типа NOR соединены параллельно; для эффективного управления всеми единицами хранения необходимо обеспечить их равномерную адресацию. Устройства NAND используют мультиплексированные порты ввода-вывода для доступа к данным, а 8 контактов используются для передачи информации об управлении, адресах и данных в режиме разделения по времени. Все блоки памяти NAND разделены на несколько блоков, каждый блок разделен на несколько страниц, каждая страница имеет размер 512 байт, то есть 512 8-разрядных чисел, то есть каждая страница имеет 512 битовых линий, каждая битовая линия имеет 8 блоков памяти; поэтому каждый раз, когда NAND считывает данные, он указывает адрес блока, адрес страницы и адрес столбца (адрес столбца — это начальный адрес на странице чтения).
Каждая единица памяти NOR подключена к битовой линии параллельно, имеет интерфейс SRAM, достаточное количество адресных выводов для адресации и обеспечивает легкий доступ к каждому байту внутри нее. Это удобно для произвольного доступа к каждому биту и не требует драйвера; имеет выделенную адресную линию, которая может реализовывать однократную прямую адресацию; сокращает время выполнения команд Flash процессором.
Применение NOR и NAND Flash
NOR-флеш
NOR-флеш в основном используется для хранения и выполнения кода и данных в таких устройствах, как микроконтроллеры, встроенные системы, цифровые камеры, смартфоны и твердотельные накопители (SSD).
NAND-флеш
Применение флэш-памяти NAND в твердотельных накопителях может быть расширено на военную, автомобильную, промышленную, видеонаблюдательную, сетевую, электроэнергетическую, медицинскую, авиационную, навигационную и другие области.
Поэтому NOR-флеш-память более подходит для случаев частого произвольного чтения и записи. Обычно она используется для хранения программных кодов и запускается непосредственно из флеш-памяти. Мобильные телефоны являются крупными пользователями NOR-флеш-памяти; NAND-флеш-память в основном используется для хранения данных. Наши широко используемые продукты флеш-памяти, такие как флеш-накопители и цифровые карты памяти, используют NAND-флеш-память.
