簡述Nand Flash結(jié)構(gòu)及錯誤機(jī)制

Nand Flash是一種非易失性存儲器，具有讀寫速度快。功耗低。存儲密度高等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品中，如固態(tài)硬盤（ SSD）、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著CPU主頻以及IO頻率的不斷提高，傳統(tǒng)硬盤由于讀寫速度慢等原因已經(jīng)成為PC、服務(wù)器存儲等領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。由于基于Nand Flash的存儲相比于傳統(tǒng)硬盤存儲具有體積小、讀寫速度快?？拐饎訌?qiáng)、溫濕度適應(yīng)范圍寬等優(yōu)點， Nand Flash的市場份額正在迅速擴(kuò)大，逐步取代傳統(tǒng)硬盤。尤其在航天航空、國防軍事等特殊的應(yīng)用環(huán)境領(lǐng)域中，Nand Flash已經(jīng)成為存儲設(shè)備的首選。

Nand Flash存儲器內(nèi)部是由存儲單元“浮置柵晶體管”陣列排布組成，每一個“浮置柵晶體管”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，能夠長時間存儲電荷。存儲單元初始狀態(tài)為擦除狀態(tài)，此時浮置柵極沒有電子積聚，當(dāng)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(jīng)過氧化層陷入浮置柵極，此時存儲單元處于編程狀態(tài)。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(yīng)，把浮置柵極的電子吸引到源極。

圖1浮置柵晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

Nand Flash存儲空間由若干個plane組成，每個plane又包含若干個塊，塊又由頁組成。頁包括數(shù)據(jù)區(qū)域和冗余區(qū)域2部分，數(shù)據(jù)區(qū)域用來存儲數(shù)據(jù)，冗余區(qū)域則用來存儲ECC相關(guān)信息和映射表等信息12。頁為Nand Flash的讀寫單元，塊為擦除操作單元。

Nand Flash每個存儲單元可以存儲一個或多個比特位，當(dāng)只存儲一個比特位時，這種存儲單元稱為單階存儲單元（ SLC）；當(dāng)能夠存儲2個比特位時，稱為多階存儲單元（MLC）；當(dāng)存儲3個比特位時，稱為三階存儲單元（TLC）。在 MLC和TLC中，通過不同的電荷量來存儲多個比特位，因此數(shù)據(jù)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類型存儲器利用單個存儲單元存儲多個比特位，大大提高了存儲密度，降低了存儲成本，但同時也增大了誤碼率，而且壽命也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SLC類型存儲器。

對于長度為512 B的數(shù)據(jù)，目前的糾錯位數(shù)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。

Nand閃存存儲錯誤發(fā)生的機(jī)制主要包括：存儲密度的提升以及閾值電壓多級分布造成各存儲單元之間干擾增大，從而導(dǎo)致存儲過程中存儲電壓發(fā)生偏移而發(fā)生錯誤；隨著編程擦除周期次數(shù)的增加，陷阱電荷改變了閾值電壓的分布，使得電壓的分布區(qū)變寬，導(dǎo)致2閾值電壓之間發(fā)生重疊，從而造成誤判；在航空航天等應(yīng)用環(huán)境中，電子會由于能量輻射而發(fā)生熱運(yùn)動，也會導(dǎo)致存儲數(shù)據(jù)的錯誤。采用糾錯編碼技術(shù)能夠大大降低這些錯誤的發(fā)生。

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