王鳳鳴，胡 凱，黃 誠

（中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 Flash Memory現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

閃速存儲器（Flash Memory）是一類非易失性存儲器 NVM（Non-Volatile Memory），即使在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息；而諸如 DRAM、SRAM 這類易失性存儲器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時片內(nèi)信息隨即丟失。 Flash Memory 集中了其他類非易失性存儲器的特點(diǎn)：與 EPROM 相比較，閃速存儲器具有系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程等明顯的優(yōu)勢，也不需要特殊的高電壓（某些第一代閃速存儲器也要求高電壓來完成擦除和 / 或編程操作）；與 EEPROM 相比較，閃速存儲器具有成本低、密度大的特點(diǎn)。其獨(dú)特的性能使其廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)，如PC 及外設(shè)、電信交換機(jī)、蜂窩電話、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、儀器儀表和汽車器件，同時還包括新興的語音、圖像、數(shù)據(jù)存儲類產(chǎn)品，如數(shù)字相機(jī)、數(shù)字錄音機(jī)和個人數(shù)字助理（PDA）。

目前Flash主要有兩種：NOR Flash和NAND Flash。NOR Flash的讀取和我們常見的SDRAM的讀取是一樣，用戶可以直接運(yùn)行裝載在N O R FLASH里面的代碼，這樣可以減少SRAM的容量從而節(jié)約了成本。NAND Flash沒有采取內(nèi)存的隨機(jī)讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進(jìn)行的，通常是一次讀取512個字節(jié)，采用這種技術(shù)的Flash比較廉價。用戶不能直接運(yùn)行NAND Flash上的代碼，因此好多使用NAND Flash的開發(fā)板上除了使用NAND Flash以外，還做上了一塊小的NOR Flash來運(yùn)行啟動代碼。

一般小容量存儲器用NOR Flash，因為其讀取速度快，多用來存儲操作系統(tǒng)等重要信息，而大容量存儲器用NAND FLASH，最常見的NAND FLASH應(yīng)用是嵌入式系統(tǒng)采用的DOC（Disk on Chip）和我們通常用的“閃存盤”，可以在線擦除。目前市面上的FLASH 主要來自Intel、AMD、Fujitsu和Mxic，而生產(chǎn)NAND Flash的主要廠家有Samsung、Toshiba及Hynix。

存儲器的發(fā)展都具有更大、更小、更低的趨勢，這在閃速存儲器行業(yè)表現(xiàn)得淋漓盡致。隨著半導(dǎo)體制造工藝的發(fā)展，主流閃速存儲器廠家采用0.18μm，甚至0.15μm的制造工藝。借助于先進(jìn)工藝的優(yōu)勢，F(xiàn)lash Memory的容量可以更大，NOR技術(shù)將出現(xiàn)256Mb的器件，NAND和AND技術(shù)已經(jīng)有1Gb的器件；同時芯片的封裝尺寸更小，從最初的DIP封裝到PSOP、SSOP、TSOP封裝，再到BGA封裝，F(xiàn)lash Memory已經(jīng)變得非常纖細(xì)小巧；先進(jìn)的工藝技術(shù)也決定了存儲器的低電壓特性，從最初12V的編程電壓，一步步下降到5V、3.3V、2.7V、1.8V單電壓供電。這符合國際上低功耗的潮流，更促進(jìn)了便攜式產(chǎn)品的發(fā)展。

另一方面，新技術(shù)、新工藝也推動Flash Memory的單位成本大幅度下降：采用NOR技術(shù)的Intel公司的28F128J3價格為25美元，NAND技術(shù)和AND技術(shù)的Flash Memory將突破1美元/1MB的價位，使其具有了取代傳統(tǒng)磁盤存儲器的潛質(zhì)。

世界閃速存儲器市場發(fā)展十分迅速，其規(guī)模接近DRAM市場的1/4，與DRAM和SRAM一起成為存儲器市場的三大產(chǎn)品。Flash Memory的迅猛發(fā)展歸因于資金和技術(shù)的投入，高性能低成本的新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，刺激了Flash Memory更廣泛的應(yīng)用，推動了行業(yè)向前發(fā)展。

2 Flash Memory 工作的基本原理

閃存是一種包含一個由若干行和列組成的陣列，其中各個交匯處均有一個含有兩個晶體管的單元。這兩個晶體管由一層薄氧化層隔開。兩個晶體管分別稱為浮柵和控制柵。浮柵只能通過控制柵連接到行，即字線。一旦連接，該單元值將為1。若要將值更改為0，需要經(jīng)過隧道效應(yīng)（Fowler-Nordheim）的過程。

隧道效應(yīng)用于更改浮點(diǎn)門中的電子位置。浮柵通常采用10V～13V之間的電荷。電荷來自列，即位線，進(jìn)入浮柵并排入地面。通過這些電荷，浮柵晶體管將激發(fā)的電子推入薄氧化層并在薄氧化層的另一面將其捕獲，使其帶有負(fù)電荷。這些帶負(fù)電荷的電子將改變浮柵的閾值電壓。根據(jù)閾值電壓的大小設(shè)定一個翻轉(zhuǎn)點(diǎn)，通過讀出小信號放大器就可以讀出存儲單元是“1”還是“0”。在一個空白FLASH中，所有門完全打開，每個單元值均為1。通過高壓擦除，閃存芯片各單元中的電子可恢復(fù)正常值（“1”）。閃存每次不是擦除一個字節(jié)，而是每次擦除一個塊或整個芯片，然后再進(jìn)行重寫，因此比傳統(tǒng) EEPROM速度更快。

3 Flash Memory的冗余技術(shù)及實現(xiàn)

3.1 Flash冗余技術(shù)介紹

Flash存儲器是一種數(shù)據(jù)正確性非理想的器件，在使用中可能會有壞損單元。數(shù)據(jù)寫入必須在空白的區(qū)塊或者擦除后的區(qū)塊中進(jìn)行，其底層技術(shù)要求以塊為單位進(jìn)行擦除，再按頁寫入。Flash存儲器的擦除次數(shù)是有限的，一般是100 000次。當(dāng)某塊執(zhí)行過度的擦除操作后，這一塊的存儲空間將會變?yōu)椤爸蛔x”狀態(tài)，不能再寫入數(shù)據(jù)。根據(jù)以上特點(diǎn)，為了避免某些塊的過度操作，而導(dǎo)致存儲卡使用壽命降低，設(shè)計專門針對Flash存儲器的冗余系統(tǒng)是必要的，利用冗余技術(shù)將有缺陷的單元替換成好的單元。

目前Flash中采用的冗余技術(shù)主要包括行冗余、列冗余、行列冗余和扇區(qū)冗余。

行冗余是指對位線上的冗余，如果正常存儲陣列中的位線上的單元存在缺陷，就可以使用冗余的位線替代有缺陷的位線；列冗余是指對字線上的冗余，如果正常存儲陣列中的字線上的單元存在缺陷，就可以使用冗余的字線替代有缺陷的字線；行列冗余是指對位線上和字線上均冗余，如果正常存儲陣列中的位線上和字線上的單元均存在缺陷，就可以使用冗余的行列線替代有缺陷的位線及字線。

3.2 Flash冗余電路實現(xiàn)

為實現(xiàn)Flash的冗余功能，必須增加外圍存儲單元（CAM）和地址比較電路，使得能夠使用正常的冗余存儲單元來替代這些缺陷單元。CAM單元作用是存儲缺陷地址，地址比較器電路作用是在地址譯碼前將輸入地址與缺陷地址進(jìn)行比較，并將比較結(jié)果送到行或列譯碼器，根據(jù)比較結(jié)果以決定是否需要冗余替換。圖3為具有冗余陣列的尋址電路示意圖。

當(dāng)正常的存儲陣列中存在缺陷單元時，首先要將缺陷單元地址寫入CAM單元，每次行、列譯碼電路啟動前，都需要將存儲陣列的單元地址和CAM單元地址比較，如果比較結(jié)果顯示為缺陷地址，標(biāo)志位為1，如圖3所示，則啟動冗余譯碼電路，同時屏蔽正常譯碼電路，有缺陷單元的位線被冗余位線替換，完成冗余替換操作；如果比較結(jié)果顯示為非缺陷地址，標(biāo)志位為0，則不啟動冗余譯碼電路，仍然對正常陣列中的單元操作，不進(jìn)行冗余替換。

4 結(jié)束語

通過采用冗余技術(shù)，F(xiàn)lash的存儲性能有了較大的改善，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性也很好，F(xiàn)lash產(chǎn)品的成品率和芯片的可靠性都得到了較好的提升。

［1］Introduction of Flash Memory[C]. Proceedings of The IEEE, 2003, 91（4）.

［2］潘立陽, 朱鈞. Flash存儲器技術(shù)與發(fā)展[J]. 微電子學(xué),2002, 32（1）.