3.1 闪存物理结构

        闪存芯片从小到大依此是由：cell（单元）、page（页）、block（块）、plane（平面）、die（核心）、NAND flash（闪存芯片）组成的。

        一个闪存页的大小主要有4KB、8KB、16KB几种。

3.1.1 闪存器件原理

  1. 闪存的特性        

（1）闪存是非易失性存储器，即掉电之后数据不会丢失；

（2）闪存块（Block）需先擦除才能写入，不能覆盖写（Update in Place）；

（3）闪存块（Block）具有一定的寿命。每擦除一次闪存块，都会对闪存块造成磨损，擦除到达一定次数后，闪存块要么变成坏块，要么这块闪存块上的数据变得不可靠；

（4）闪存块读的次数是有限的。读的次数多了，会造成读干扰问题；

（5）闪存天生有坏块。同时，随着SSD、的使用，会产生新的坏块。

2. 闪存基本存储单元Cell

         闪存的物理结构 - 爱码网

        Cell：闪存基本存储单元，是闪存的 最小工作单位 ，执行数据存储的任务；它是一种类NMOS的 双层浮栅（Floating Gate）MOS管 。

        闪存由源极（Source）、漏极（Drain）、浮动栅极（Floating Gate）、控制栅极（Control Gate）组成，是双栅极结构。

         

 

 

        闪存是非易失性存储器的原因：MOS管在源极（Source）和漏极（Drain）之间电流单向传导的半导体上形成了存储电子的浮栅，浮栅上下被绝缘层包围，存储在里面的电子不会因掉电而消失。因此，闪存是非易失性存储器。

        

        写操作是在 控制栅极 加正电压（Vpp），使电子（带负电）通过 绝缘层进入浮栅层 ；值得注意的是，该操作执行完之后，该闪存单元存储的是0！！即，此时，读取状态为0。

        擦除操作是在 源极 加正电压（Vpp），利用浮栅极和漏极之间的隧道效应，把电子 从浮栅层吸引  到源极，排空浮动栅极的电子。此时，读取状态为1。

        问：为什么浮栅极没有电子的时候是1，有电子是0呢？？？？

        答：闪存的工作原理_闪存原理_liukuan73的博客-CSDN博客

 3.1.2 SLC、MLC和TLC

        DIE，也称LUN，是接收和执行闪存命令的基本单元。

        闪存根据 每个单元内可存储的数据量 分成 SLC（1bit/Cell）、MLC（2bit/Cell）、TLC（3bit/Cell）和 QLC（4bit/Cell），成本依次降低，容量依次增大（同样面积的DIE上），耐用度也依次降低。

        SLC：一个存储单元存储1bit数据的闪存。

        同样面积的一个存储单元，SLC、MLC、TLC分别可以存储1bit、2bit、3bit的数据，所以在同样面积的DIE上，闪存容量依次变大；

        同时，一个存储单元电子划分越多，读、写、擦所要耗费的时间就越长。故而，性能上SLC>MLC>TLC。

3.1.3 闪存芯片架构

        下图是一个闪存块Block的组织架构。一个Wordline（字线）对应着一个或若干个Page。一个Page有多大，那么Wordline上面就有多少个存储单元，就有多少个Bitline（位线）。一个Block当中所有的存储单元（Cell）共用一个衬底。

        Wordline（WL）是字线，其控制读取和写入，故而Page是最小的读写单位。

        Bitline（BL）是位线。

        Wordline是将一定数量（2的n次方）的存储单元的控制栅极连接起来。当Wordline上为H时，存储单元打开，此时Bitline上就可以读或者写数据到存储单元了。

        如下图，NAND 一个plane内部MOS阵列，MOS管的漏极BL=bit line，控制栅极 WL=word line，源极都连在一起，WL连接了若干个page，通过WL加不同电压和不同时间长度进行各种操作，在BL端进行读的操作。Bit Line对应的一串MOS叫做string，Block的高度一般是一个string，但是很宽，很多个WL。

一文详解闪存flash读写的原理 - 存储技术 - 电子发烧友网 (elecfans.com) 

         上图中，Control Gate相当于MOS管的G极（控制栅极），Floating Gate是浮栅层。

 

         DIE/LUN是接收和执行闪存命令的基本单元。但在一个LUN中，一次只能独立执行一个命令，不能对其中一个page进行写操作的同时，又对另一个page进行读操作。

       闪存块Block是最小的擦除单位。原因：一个闪存块Block中的的所有存储单元是共用一个衬底（Substrate）的。如果对某个衬底加电压，那么所有浮栅层的电子都会被吸出来。

        一个DIE可以分为若干个Plane，每个Plane有独立的Cache Register（高速缓冲寄存器）和Page Register（页寄存器），其大小等于一个Page的大小。

        固态硬盘在写某个Page的时候，先把数据从主控传输到该Page所对应Plane的Cache Register中，再把整个Cache Register中的数据写到闪存阵列；读则相反，即闪存介质-->Cache Register-->主控。    注意：无论是从闪存介质读取数据到Cache Register，或是从Cache Register写数据到闪存介质，都是以Page为单位！！！

 3.1.4 读、写、擦原理

一文详解闪存flash读写的原理 - 存储技术 - 电子发烧友网

        如果浮动栅极Floating Gate中没有电子（即没有执行过写操作或执行过擦除操作），那么通过阈值电压可以控制电流的通断：

（1）当控制栅极上的电压 > 阈值电压VT时，此时没有电流，相当于开关断开，对应状态为0；

（2）当控制栅极上的电压 < 阈值电压VT时，此时有电流，相当于开关合上，对应状态为1。

1. 读

        当要读某个Page时：

      （1）将该Page的Wordline（即同一个Page中所有Cell上的控制栅极CG端的导线）电势置为0（即不加电压）；

      （2）其他所有Page的Wordline电势升到一个值，这个电压又不至于把浮栅极Floating Gate中的电子吸出来。

        之所以抬高电势，是为了让其他Page所有的Cell的源极和漏极处于导通状态；没加电压（要读取的Page上）的那些Cell，其源极和漏极的通断，完全取决于其浮栅极中是否存在电子：

              1）若存在电子（即该Page已执行过写操作），处于断开状态，读到0；

              2）若不存在电子（即该Page没有执行过写操作），处于导通状态，读到1。

        总结：对要读的Page加低电压使电流断开，看Floating Gate中是否有电子，有电子为0， 否则为1。

2. 写

        执行写操作是对浮栅极充电子，也称为program。

        写之前需先执行擦除操作，擦除之后，数据变成了1。所以，需要对写入0的浮栅极进行充电。

         当写入某个Cell时：

        （1）将选中Page的Wordline加高压，对应Bitline不加高压；

        （2）对Page里其他Cell的Bitline加正常电压，保持电流导通；

        （3）将其他Page的Wordline加正常电压，保持导通。

         不需要写入数据的Cell的Wordline和Bitline电压抵消，电子不动；需要写入数据（选中）的Cell，由于电势差，将电子从Bitline吸到浮栅极中进行充电。

      上面仅是示例，读写的基本单位都是Page。实际上无法对某个Cell进行写入，因为无法对同一个Page里的不同Cell既充电又放电。

   

3. 擦除

        擦除动作，就是将一大片连续的Cell全部放电。实际操作是在衬底加电压足够长时间，把电子从浮栅极中吸出来。

        擦除是以Block为基本单位，因为一个Block共用一个衬底，所以一次只能擦除一个或多个Block。擦除之后，整个Block的数据都为1。