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SSD固态硬盘2012终极横评及选购指南

  NAND FLASH 技术

  1984 年,在日本东芝公司工作的舛岡富士雄博士在 IEDM 大会上正式公布了他称作为 FLASH EEPROM 的新式存储器,而 FLASH 这个名称的来源是舛岡认为这种存储器的擦写过程类似于相机的闪光灯放闪。FLASH 最初的用途是用来替代 EPROM 的,但是现在它已经成为最常见的存储媒体。

  CMOS(互补式金属氧化物半导体,Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)内存一般分为两类,一类称作 RAM,而另一类称作 ROM。

  RAM 的特点之一是易失性,一旦供电断掉,RAM 内保存的信息就会丢失。

  与之相反的 ROM 则是非易失性,即使供电断掉后,ROM 内保存的信息依然能维持很长的一段时间,例如 EPROM。EEPROM 和 EPROM 的不同点在于前者可以使用电子方式进行擦除,而后者需要紫外线。FLASH 闪存属于一种 EEPROM。

NAND Flash闪存技术

  FLASH 主要有两种类型,即 NOR 型和 NAND 型(由东芝公司于 1988 年首先推出产品)虽然 NOR 可以实现同时读写故而具备较快的随机性能,但是由于后者具备更快的持续性能、更多的可擦除次数、更高的存储密度,因此 NAND 型成为低成本存储中最常使用的闪存。

  其实早在 1985 年Intel的实验室里已经有一个能运作的 64-KB闪存,但是让人惊讶的是当时Intel对这个闪存的商用化并不感兴趣,如果不是 Gordon Moore(戈登.摩尔)和一群非常果敢的先行者(例如 Pashley 博士以及他的团队),Intel根本不会进入闪存市场。

  到了 1986 年,Intel专门成立了一个独立的闪存业务部门,两年后(1988年 4 月),Intel推出了一款 256-KB闪存(基于 1.5 微米工艺,面积是 36 平方毫米)。与此同时,一家位于巴黎的公司——Eiffel Tower 公司推出了采用闪存作为媒体的“胶卷卡”式数码相机,而后来更名为 SanDisk 的 SunDisk 公司也在这一年成立。

  在 1987 年,舛岡富士雄博士在日本东北大学期间发明了 NAND 构造的 EEPROM 存储单元,不过直到上世纪 90 年代中期之前,NAND FLASH 都由于若干个问题未必广泛采用,在此期间市场的主流是Intel发明的 NOR 型闪存,像早期的 CF 卡就是采用 NOR 闪存的。

  但是随着 MP3 播放器开始崭露头角以及数码相机迅速获得消费者青睐后,NAND 闪存开始迎来辉煌,到了 2005 年 NAND 闪存终于超越了 NOR 闪存成为市场的领导者,也是在这一年Intel和美光成立 IMFT 公司专门合作生产 NAND 闪存(在这年之前这两家公司都没有 NAND 产品)、微软首次提出了混合硬盘的构想。

  两年后即 2008 年,Intel将其 NOR 闪存业务部门剥离掉,后者成了一家独立的公司——Numonyx,这标志着从这一年开始Intel全力开拓 NAND 闪存,不过比较搞笑的是,美光在 2010 年亿 12.7 亿美元收购了 Numonyx,再次体现了美光和Intel一直以来的耐人寻味的基情。

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  上图是 MOSFET(金属氧化物半导体场效应)晶体管的示意图,其中包括了源极、栅极、漏极三个端以及第四端的衬底。

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当我们对 MOS 管栅极施加一定电压值后,源极漏极之间会形成可让电流通过的沟道
这个形成导电沟道所需的栅极电压值被称作阀值电压(Vt)

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当晶体管的电压达到阀值电压(Vt)后,源极的电子就可以透过沟道跑向漏极

  栅极在这里的作用就相当于水管上的开关,用来制造和消除源极与漏极之间的沟道,透过控制栅极电压,实现允许或者阻碍源极至漏极之间电子的通过。

  那么源极和漏极形成电流沟道又和闪存能断电保存信息有什么关系呢?这就涉及到另一种形态的 MOS 管:浮栅 MOS(FGMOS)晶体管。

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  浮栅 MOS 晶体管其实就是栅氧化层和基底之间增加了一个浮栅和一层浮栅氧化层,数据保存的位置就是这个新增的浮栅内,包括 NAND 闪存在内的非易失性半导体存储器都有这个浮栅的存在。

  执行数据写入操作的过程其实就是将电子充进被绝缘体包裹着的浮栅内,而将数据擦除就是将电子从浮栅中抽空,这其中电子在隧穿氧化层跑来跑去的现象被称作隧穿(对浮栅 MOS 管来说,有多种的电子注入、抽离方式,例如 NOR 闪存采用的是热电子注入来注入电子,不过我们这里主要讨论的是 NAND 闪存,所以以 NAND FLASH 最常使用的隧穿方式),是一种量子学现象。

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图中的电流坐标是指漏极的电流,而栅极电压坐标是指栅极与源极之间的电压

  浮栅在这里充当一个电子陷阱,当达到阀值电压后源极至漏极之间跑过的电子就会被捕获进浮栅内,不过当浮栅被充电(写入)后,晶体管的栅极阀值电压会比写入之前更高,这意味着浮栅有信息写入后,源极与漏极之间搭建沟道所需要的电压更高了。

  在这里我们将充电前的阀值电压称作 Vt1,充电(浮栅写入)后的阀值电压称作 Vt2。

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