FLASH记录数据的工作原理

一路上

前言

Flash全名叫做Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的如硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDR SDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。

Flash的内部存储是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET)，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

Flash原理

在每个闪存芯片中都有海量的存储单元，下图是一个闪存存储单元示意图，从上到下分别是控制栅极（Control Gate）、氧化层、浮栅层（Floating Gate）、隧道氧化层和衬底（Substrate）。左侧是源级（Sources）右侧是漏级（Drain），电流只能从源级向漏级单向传导。

闪存记录数据的关键在于浮栅层，当其中被充满电子时是已编程（写入）状态，代表二进制0；当其中没有电子时是已擦除状态，代表二进制1。

上面的这个0和1的逻辑听起来有些颠倒，不过当你了解到闪存的读取原理后就会觉得这样才是对的：源级到漏级之间没有电流（0），说明浮栅中有电子。

当源级到漏级之间有电流（1），说明浮栅里没有电子。

以上就是从闪存中读取数据的原理，往复杂了说它涉及到MOS管等复杂的半导体知识，但是如果朝简单的方向理解，我们也能轻松理解闪存表达数据的原理。

接下来是向闪存单元中写入数据的方法：在控制栅极和漏级之间施加一个20V高电压，就可以引发量子隧道效应，使电子进入到浮栅层中。由于氧化隧道层的绝缘效果，进入到浮栅层的电子不容易流失掉，所以闪存可以在断电后继续保留数据。

反过来也可以使用20V高电压反向将浮栅层中的电子“抽离”出去，这就是闪存的擦除操作。闪存的独特工作原理决定了闪存单元在写入之前必须经过擦除，而不能像磁记录那样直接覆盖写入。

对于原始的SLC闪存而言，一个存储单元只需保留一比特数据，非0即1，判断起来非常简单。SLC闪存速度快、寿命长，但容量小、每GB容量成本过高，不适合家用电脑的固态硬盘。

MLC闪存可以在每个存储单元中存储2比特数据，即00、01、10、11四种状态，浮栅层中的电荷数等级需要更加精细化。

到了TLC闪存（3比特/单元），状态数量达到8种，而QLC闪存（4比特/单元）的状态数量高达16种。

NAND FLASH 从 SLC -> MLC -> TLC -> QLC，每个单元存储的比特数增加，这样晶圆的存储密度会成倍提高，但对应的整卡可写入/擦除次数(P/E Cycle) 也降低（意味着寿命也越短），读写性能会越差。最重要的单位GB的成本会更低，芯片的成本是和面积直接相关的。面积越小，一个晶圆切出的Die(片)数目就更多，单Die的成本就降下来了。

结语

各大原厂孜孜不倦地提高每个单元的比特数，相信厂商会对TLC技术进行更多的研究，保证物美价廉的TLC继续生存下去。

3D NAND闪存就是TLC的一个重要方向，不再追求缩小Cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多Cell单元，所以我们不必要追求更先进的制程，毕竟制程约先进，寿命反而越差。所以，可以使用相对更旧的工艺来生产3D NAND闪存，使用旧工艺的好处就是P/E擦写次数大幅提升，而且电荷干扰的情况也因为使用旧工艺而大幅减少。