Nand Flash結構及錯誤機制

Nand Flash是一種非易失性儲存器,具有讀寫速度快.功耗低.儲存密度高等優點,目前被廣泛應用於電子產品中,如固態硬碟( SSD)、手機、數位相機等。進入21世紀以來,隨著CPU主頻以及IO頻率的不斷提高,傳統硬碟由於讀寫速度慢等原因已經成為PC、伺服器儲存等領域發展的瓶頸。由於基於Nand Flash的儲存相比於傳統硬碟儲存具有體積小、讀寫速度快.抗震動強、溫溼度適應範圍寬等優點, Nand Flash的市場份額正在迅速擴大,逐步取代傳統硬碟。尤其在航天航空、國防軍事等特殊的應用環境領域中,Nand Flash已經成為儲存裝置的首選。
 
儲存器內部是由儲存單元“浮置柵電晶體”陣列排布組成,每一個“浮置柵電晶體”包括2個柵極:一個控制柵極和一個浮置柵極,如圖1所示。浮置柵極被絕緣層包圍,能夠長時間儲存電荷。儲存單元初始狀態為擦除狀態,此時浮置柵極沒有電子積聚,當對控制柵極施加正電壓時,電子會從源極與漏極之間的通道經過氧化層陷入浮置柵極,此時儲存單元處於程式設計狀態。擦除操作是在源極加正電壓，利用浮置柵極與源極之間的隧道效應,把浮置柵極的電子吸引到源極。
 

 
Nand Flash儲存空間由若干個plane組成,每個plane又包含若干個塊,塊又由頁組成。頁包括資料區域和冗餘區域2部分,資料區域用來儲存資料,冗餘區域則用來儲存ECC相關資訊和對映表等資訊12。頁為Nand Flash的讀寫單元,塊為擦除操作單元。
 
Nand Flash每個儲存單元可以儲存一個或多個位元位,當只儲存一個位元位時,這種儲存單元稱為單階儲存單元( SLC);當能夠儲存2個位元位時,稱為多階儲存單元(MLC);當儲存3個位元位時,稱為三階儲存單元(TLC)。在 MLC和TLC中,透過不同的電荷量來儲存多個位元位,因此資料讀取時需要檢測出電流量大小以確定電荷級別。而在SLC中只需檢測電荷的有無即可。MLC和TLC型別儲存器利用單個儲存單元儲存多個位元位,大大提高了儲存密度,降低了儲存成本,但同時也增大了誤位元速率,而且壽命也要遠遠小於SLC型別儲存器。
 
對於長度為512 B的資料,目前的糾錯位數要求大概為:
SLC:1位~12位糾錯能力;
MLC:4位~40位糾錯能力;
TLC:60位以上的糾錯能力。
 
儲存錯誤發生的機制主要包括:儲存密度的提升以及閾值電壓多級分佈造成各儲存單元之間干擾增大,從而導致儲存過程中儲存電壓發生偏移而發生錯誤;隨著程式設計擦除週期次數的增加,陷阱電荷改變了閾值電壓的分佈,使得電壓的分佈區變寬,導致2閾值電壓之間發生重疊,從而造成誤判;在航空航天等應用環境中,電子會由於能量輻射而發生熱運動,也會導致儲存資料的錯誤。採用糾錯編碼技術能夠大大降低這些錯誤的發生。