Flash存儲器的冗余實現(xiàn)

王鳳鳴，胡 凱，黃 誠

（中國電子科技集團公司第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：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。其獨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、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、數(shù)字錄音機和個人數(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)存的隨機讀取技術(shù)，它的讀取是以一次讀取一塊的形式來進行的，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)變得非常纖細小巧；先進的工藝技術(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，使其帶有負電荷。這些帶負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，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)塊中進行，其底層技術(shù)要求以塊為單位進行擦除，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，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）.