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我們熟知的NAND閃存,還有個“雙胞胎兄弟”

【IT168 評論】無論消費者還是企業機構,大多數人在談到閃存時,首先想到的就是NAND閃存。從一定的現實意義上來講,NAND閃存可以說已經成為固態硬盤的代名詞?;趬K尋址結構和高密度,使其成為磁盤的完美替代品。

  NOR閃存是另一種與NAND不同的閃存類型,它具有不同的設計拓撲結構,某些特定的應用場景下更為適合。在比較NAND和NOR閃存在不同應用中的相對優勢和適用性之前,檢查其結構差異是很重要的。

  NAND閃存產品是當今已經達到高水準的存儲芯片,是當前市面上嵌入式以及獨立式SSD的主要原材料。多層單元(MLC)技術和3D制造工藝的結合,將NAND存儲單元垂直蝕刻到硅襯底上,使存儲密度和NAND芯片容量呈幾何級增長。

  NAND與NOR電路基礎

  盡管NAND閃存是這兩種非易失性內存技術中相對流行的一種,但NAND和NOR都是由同一名東芝公司的工程師在上世紀80年代中期發明的。要理解這兩個種類的區別和命名,需要簡要回顧一下邏輯門的基礎知識。

  NAND和NOR分別涉及到布爾邏輯函數中的邏輯“和”(and)以及“或”(or)。如下所示,NAND和NOR都生成響應兩個二進制輸入的輸出。

響應兩個二進制輸入的NAND和NOR輸出

  NAND和NOR邏輯門僅僅為它們各自的功能實現了上面這個真值表。

  NAND門在概念上是作為AND門實現的——當兩個輸入都是1時輸出1——后面跟著一個NOT門,這是一個邏輯反轉。相應的,NOR門在概念上是一個OR門——有任何一個輸入是1時輸出1,然后是NOT門,這是一個邏輯倒裝。

  布爾邏輯的背景對于理解NAND和NOR閃存至關重要,因為閃存單元被連接到一個行和列的數組中。在NAND閃存中,一組中的所有單元(通常是一個字節的倍數,取決于芯片的大小)共享一條位線,并以串行方式連接每個單元,每個單元連接到一個單獨的字行。同一字行連接一個內存塊中的多個字節,通常為4 KB到16 KB。因此,只有當所有的字線都是高或單狀態時,位線才會降低或變為零狀態,這實際上將內存組轉換為一個多輸入NAND門。

  與此相反,NOR閃存并行組織位線的方式是,當位線和字線都處于低或零狀態時,內存單元只保持高或單狀態。

  NAND單元的串聯結構使得它們可以通過導電層(或摻雜層)連接在襯底上,而不需要外部接觸,從而顯著減少了其橫截面積。

  NAND閃存單元的串聯連接意味著它們不需要單元之間通過金屬層進行外部接觸——而這正是NOR拓撲結構所需的。使用導電層連接硅襯底上的單元意味著NAND閃存的密度通常比NOR高兩個數量級,或100倍。此外,組內單元的串聯連接使它們可以垂直地堆積在3D數組中,位線類似于垂直管道。

  相反,由于NOR閃存單元不能單獨尋址,因此它們對于隨機訪問應用程序更快。

  NAND與NOR產品類型

  這兩種類型的閃存具有明顯的特性和性能差異,它們有各自最適合的應用程序類型。除了容量外,NAND和NOR閃存還具有不同的運行、性能和成本特性,如下圖所示。

  這兩種閃存中也有幾種不同的產品類型,它們在I/O接口、寫入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

  NAND閃存產品類型

  NAND閃存以單層(SLC)、多層(MLC)、三層(TLC)或四層(QLC)的形式在每個單元(cell)中存儲bit,分別為1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要確定哪種類型的NAND最適合于工作負載,簡單來說,每個單元的位數越高,其容量就越大——當然,是以數據持久性和穩定性為代價的。

  NAND設備只是沒有任何外圍電路的存儲芯片,這些外圍電路使NAND閃存可以在SSD、U盤或其他存儲設備中使用。相比之下,托管型NAND產品嵌入了一個內存控制器來處理必要的功能,比如磨損調平、壞塊管理(從使用中消除非功能性內存塊)和數據冗余。

  NOR閃存產品類型

  串行設備通過只暴露少量(通常是1到8個)I/O信號來減少包的pin數。對于需要快速連續讀取的應用程序來說,這是理想的選擇。NOR閃存通常用于瘦客戶機、機頂盒、打印機和驅動器控制器。

  并行NOR產品暴露多個字節,而且通常使用內存頁而不是單獨的字節進行操作,更適用于啟動代碼和高容量應用程序,包括數碼單反相機、存儲卡和電話。

  兩種閃存都是不可或缺的

  NAND是閃存的主力,廣泛用于嵌入式系統和SSD等存儲設備的大容量數據存儲。不過,NOR 閃存在存儲可執行的啟動代碼和需要頻繁隨機讀取小數據集的應用程序方面起著關鍵作用。顯然,這兩種類型的閃存將繼續在計算機、網絡和存儲系統的設計中發揮作用。

  原文作者:Kurt Marko

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