NAND闪存特点及决定因素

　　内存和NOR型闪存的基本存储单元是bit，用户可以随机访问任何一个bit的信息。而NAND型闪存的基本存储单元是页（Page）（可以看到，NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区，硬盘的一个扇区也为512字节）。每一页的有效容量是512字节的倍数。所谓的有效容量是指用于数据存储的部分，实际上还要加上16字节的校验信息，因此我们可以在闪存厂商的技术资料当中看到“（512+16）Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的 NAND型闪存绝大多数是（512+16）字节的页面容量，2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到（2048+64）字节。

　　NAND型闪存以块为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页，容量16KB;而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。

　　每颗NAND型闪存的I/O接口一般是8条，每条数据线每次传输（512+16）bit信息，8条就是（512+16）×8bit，也就是前面说的512 字节。但较大容量的NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计，如三星编号K9K1G16U0A的芯片就是64M×16bit的NAND型闪存，容量1Gb，基本数据单位是（256+8）×16bit，还是512字节。

　　寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。由于闪存芯片容量比较大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。NAND的地址信息包括列地址（页面中的起始操作地址）、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。

　　决定NAND型闪存的因素有哪些？

　　1.页数量

　　前面已经提到，越大容量闪存的页越多、页越大，寻址时间越长。但这个时间的延长不是线性关系，而是一个一个的台阶变化的。譬如128、256Mb的芯片需要3个周期传送地址信号，512Mb、1Gb的需要4个周期，而2、4Gb的需要5个周期。

　　2.页容量

　　每一页的容量决定了一次可以传输的数据量，因此大容量的页有更好的性能。前面提到大容量闪存（4Gb）提高了页的容量，从512字节提高到2KB。页容量的提高不但易于提高容量，更可以提高传输性能。我们可以举例子说明。以三星K9K1G08U0M和K9K4G08U0M为例，前者为1Gb，512字节页容量，随机读（稳定）时间12μs，写时间为200μs;后者为4Gb，2KB页容量，随机读（稳定）时间25μs，写时间为300μs。假设它们工作在 20MHz。

　　读取性能：NAND型闪存的读取步骤分为：发送命令和寻址信息→将数据传向页面寄存器（随机读稳定时间）→数据传出（每周期8bit，需要传送512+16或2K+64次）。

　　K9K1G08U0M读一个页需要：5个命令、寻址周期×50ns+12μs+（512+16）×50ns=38.7μs;K9K1G08U0M实际读传输率：512字节÷38.7μs=13.2MB/s;K9K4G08U0M读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+25μs+（2K+64）× 50ns=131.1μs;K9K4G08U0M实际读传输率：2KB字节÷131.1μs=15.6MB/s。因此，采用2KB页容量比512字节也容量约提高读性能20%。

　　写入性能：NAND型闪存的写步骤分为：发送寻址信息→将数据传向页面寄存器→发送命令信息→数据从寄存器写入页面。其中命令周期也是一个，我们下面将其和寻址周期合并，但这两个部分并非连续的。

　　K9K1G08U0M写一个页需要：5个命令、寻址周期×50ns+（512+16）×50ns+200μs=226.7μs。K9K1G08U0M实际写传输率：512字节÷226.7μs=2.2MB/s。K9K4G08U0M写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+（2K+64）×50ns+ 300μs=405.9μs。K9K4G08U0M实际写传输率：2112字节/405.9μs=5MB/s。因此，采用2KB页容量比512字节页容量提高写性能两倍以上。

　　3.块容量

　　块是擦除操作的基本单位，由于每个块的擦除时间几乎相同（擦除操作一般需要2ms，而之前若干周期的命令和地址信息占用的时间可以忽略不计），块的容量将直接决定擦除性能。大容量NAND型闪存的页容量提高，而每个块的页数量也有所提高，一般4Gb芯片的块容量为2KB×64个页=128KB，1Gb芯片的为512字节×32个页=16KB。可以看出，在相同时间之内，前者的擦速度为后者8倍！

　　4.I/O位宽

　　以往NAND型闪存的数据线一般为8条，不过从256Mb产品开始，就有16条数据线的产品出现了。但由于控制器等方面的原因，x16芯片实际应用的相对比较少，但将来数量上还是会呈上升趋势的。虽然x16的芯片在传送数据和地址信息时仍采用8位一组，占用的周期也不变，但传送数据时就以16位为一组，带宽增加一倍。K9K4G16U0M就是典型的64M×16芯片，它每页仍为2KB，但结构为（1K+32）×16bit。

　　模仿上面的计算，我们得到如下。K9K4G16U0M读一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+25μs+（1K+32）×50ns=78.1μs。

　　K9K4G16U0M实际读传输率：2KB字节÷78.1μs=26.2MB/s。K9K4G16U0M写一个页需要：6个命令、寻址周期×50ns+ （1K+32）×50ns+300μs=353.1μs。K9K4G16U0M实际写传输率：2KB字节÷353.1μs=5.8MB/s 可以看到，相同容量的芯片，将数据线增加到16条后，读性能提高近70%，写性能也提高16%。

　　5.频率工作频率的影响

　　NAND型闪存的工作频率在20～33MHz，频率越高性能越好。前面以K9K4G08U0M为例时，我们假设频率为20MHz，如果我们将频率提高一倍，达到40MHz，则K9K4G08U0M读一个页需要：6个命令、寻址周期×25ns+25μs+（2K+64）×25ns=78μs。K9K4G08U0M实际读传输率： 2KB字节÷78μs=26.3MB/s。可以看到，如果K9K4G08U0M的工作频率从20MHz提高到40MHz，读性能可以提高近70%！当然，上面的例子只是为了方便计算而已。在三星实际的产品线中，可工作在较高频率下的应是K9XXG08UXM，而不是K9XXG08U0M，前者的频率目前可达33MHz。

　　6.制造工艺

　　制造工艺可以影响晶体管的密度，也对一些操作的时间有影响。譬如前面提到的写稳定和读稳定时间，它们在我们的计算当中占去了时间的重要部分，尤其是写入时。如果能够降低这些时间，就可以进一步提高性能。90nm的制造工艺能够改进性能吗？答案恐怕是否！目前的实际情况是，随着存储密度的提高，需要的读、写稳定时间是呈现上升趋势的。前面的计算所举的例子中就体现了这种趋势，否则4Gb芯片的性能提升更加明显。

　　综合来看，大容量的NAND型闪存芯片虽然寻址、操作时间会略长，但随着页容量的提高，有效传输率还是会大一些，大容量的芯片符合市场对容量、成本和性能的需求趋势。而增加数据线和提高频率，则是提高性能的最有效途径，但由于命令、地址信息占用操作周期，以及一些固定操作时间（如信号稳定时间等）等工艺、物理因素的影响，它们不会带来同比的性能提升。

　　1Page=（2K+64）Bytes;1Block=（2K+64）B×64Pages=（128K+4K）Bytes;1Device=（2K+64）B×64Pages×4096Blocks=4224Mbits

　　其中：A0～11对页内进行寻址，可以被理解为“列地址”。

　　A12～29对页进行寻址，可以被理解为“行地址”。为了方便，“列地址”和“行地址”分为两组传输，而不是将它们直接组合起来一个大组。因此每组在最后一个周期会有若干数据线无信息传输。没有利用的数据线保持低电平。NAND型闪存所谓的“行地址”和“列地址”不是我们在DRAM、SRAM中所熟悉的定义，只是一种相对方便的表达方式而已。为了便于理解，我们可以将上面三维的NAND型闪存芯片架构图在垂直方向做一个剖面，在这个剖面中套用二维的 “行”、“列”概念就比较直观了。