Flash存储器的冗余实现

2010-02-26王凤鸣

电子与封装 2010年5期

王凤鸣，胡凯，黄诚

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

1 Flash Memory现状及发展趋势

闪速存储器（Flash Memory）是一类非易失性存储器 NVM（Non-Volatile Memory），即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如 DRAM、SRAM 这类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。 Flash Memory 集中了其他类非易失性存储器的特点：与 EPROM 相比较，闪速存储器具有系统电可擦除和可重复编程等明显的优势，也不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和 / 或编程操作）；与 EEPROM 相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地应用于各个领域，包括嵌入式系统，如PC 及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（PDA）。

目前Flash主要有两种：NOR Flash和NAND Flash。NOR Flash的读取和我们常见的SDRAM的读取是一样，用户可以直接运行装载在N O R FLASH里面的代码，这样可以减少SRAM的容量从而节约了成本。NAND Flash没有采取内存的随机读取技术，它的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常是一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此好多使用NAND Flash的开发板上除了使用NAND Flash以外，还做上了一块小的NOR Flash来运行启动代码。

一般小容量存储器用NOR Flash，因为其读取速度快，多用来存储操作系统等重要信息，而大容量存储器用NAND FLASH，最常见的NAND FLASH应用是嵌入式系统采用的DOC（Disk on Chip）和我们通常用的“闪存盘”，可以在线擦除。目前市面上的FLASH 主要来自Intel、AMD、Fujitsu和Mxic，而生产NAND Flash的主要厂家有Samsung、Toshiba及Hynix。

存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在闪速存储器行业表现得淋漓尽致。随着半导体制造工艺的发展，主流闪速存储器厂家采用0.18μm，甚至0.15μm的制造工艺。借助于先进工艺的优势，Flash Memory的容量可以更大，NOR技术将出现256Mb的器件，NAND和AND技术已经有1Gb的器件；同时芯片的封装尺寸更小，从最初的DIP封装到PSOP、SSOP、TSOP封装，再到BGA封装，Flash Memory已经变得非常纤细小巧；先进的工艺技术也决定了存储器的低电压特性，从最初12V的编程电压，一步步下降到5V、3.3V、2.7V、1.8V单电压供电。这符合国际上低功耗的潮流，更促进了便携式产品的发展。

另一方面，新技术、新工艺也推动Flash Memory的单位成本大幅度下降：采用NOR技术的Intel公司的28F128J3价格为25美元，NAND技术和AND技术的Flash Memory将突破1美元/1MB的价位，使其具有了取代传统磁盘存储器的潜质。

世界闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近DRAM市场的1/4，与DRAM和SRAM一起成为存储器市场的三大产品。Flash Memory的迅猛发展归因于资金和技术的投入，高性能低成本的新产品不断涌现，刺激了Flash Memory更广泛的应用，推动了行业向前发展。

2 Flash Memory 工作的基本原理

闪存是一种包含一个由若干行和列组成的阵列，其中各个交汇处均有一个含有两个晶体管的单元。这两个晶体管由一层薄氧化层隔开。两个晶体管分别称为浮栅和控制栅。浮栅只能通过控制栅连接到行，即字线。一旦连接，该单元值将为1。若要将值更改为0，需要经过隧道效应（Fowler-Nordheim）的过程。

隧道效应用于更改浮点门中的电子位置。浮栅通常采用10V～13V之间的电荷。电荷来自列，即位线，进入浮栅并排入地面。通过这些电荷，浮栅晶体管将激发的电子推入薄氧化层并在薄氧化层的另一面将其捕获，使其带有负电荷。这些带负电荷的电子将改变浮栅的阈值电压。根据阈值电压的大小设定一个翻转点，通过读出小信号放大器就可以读出存储单元是“1”还是“0”。在一个空白FLASH中，所有门完全打开，每个单元值均为1。通过高压擦除，闪存芯片各单元中的电子可恢复正常值（“1”）。闪存每次不是擦除一个字节，而是每次擦除一个块或整个芯片，然后再进行重写，因此比传统 EEPROM速度更快。

3 Flash Memory的冗余技术及实现

3.1 Flash冗余技术介绍

Flash存储器是一种数据正确性非理想的器件，在使用中可能会有坏损单元。数据写入必须在空白的区块或者擦除后的区块中进行，其底层技术要求以块为单位进行擦除，再按页写入。Flash存储器的擦除次数是有限的，一般是100 000次。当某块执行过度的擦除操作后，这一块的存储空间将会变为“只读”状态，不能再写入数据。根据以上特点，为了避免某些块的过度操作，而导致存储卡使用寿命降低，设计专门针对Flash存储器的冗余系统是必要的，利用冗余技术将有缺陷的单元替换成好的单元。

目前Flash中采用的冗余技术主要包括行冗余、列冗余、行列冗余和扇区冗余。

行冗余是指对位线上的冗余，如果正常存储阵列中的位线上的单元存在缺陷，就可以使用冗余的位线替代有缺陷的位线；列冗余是指对字线上的冗余，如果正常存储阵列中的字线上的单元存在缺陷，就可以使用冗余的字线替代有缺陷的字线；行列冗余是指对位线上和字线上均冗余，如果正常存储阵列中的位线上和字线上的单元均存在缺陷，就可以使用冗余的行列线替代有缺陷的位线及字线。

3.2 Flash冗余电路实现

为实现Flash的冗余功能，必须增加外围存储单元（CAM）和地址比较电路，使得能够使用正常的冗余存储单元来替代这些缺陷单元。CAM单元作用是存储缺陷地址，地址比较器电路作用是在地址译码前将输入地址与缺陷地址进行比较，并将比较结果送到行或列译码器，根据比较结果以决定是否需要冗余替换。图3为具有冗余阵列的寻址电路示意图。

当正常的存储阵列中存在缺陷单元时，首先要将缺陷单元地址写入CAM单元，每次行、列译码电路启动前，都需要将存储阵列的单元地址和CAM单元地址比较，如果比较结果显示为缺陷地址，标志位为1，如图3所示，则启动冗余译码电路，同时屏蔽正常译码电路，有缺陷单元的位线被冗余位线替换，完成冗余替换操作；如果比较结果显示为非缺陷地址，标志位为0，则不启动冗余译码电路，仍然对正常阵列中的单元操作，不进行冗余替换。