存储数据半导体——“闪存（Flash Memory）”的详解；

2025-12-02 发布在文若

　　【博主简介】本人“爱在七夕时”，系一名半导体行业质量管理从业者，旨在业余时间不定期的分享半导体行业中的：产品质量、失效分析、可靠性分析和产品基础应用等相关知识。常言：真知不问出处，所分享的内容如有雷同或是不当之处，还请大家海涵。当前在各网络平台上均以此昵称为ID跟大家一起交流学习！

　　你知道什么是闪存（Flash Memory）吗？闪存（Flash Memory）是一种存储数据的半导体。它被用于智能手机和我们周围的许多其他电子设备。

　　KIOXIA公司于1987年发明了世界上第一个NAND闪存，并且仍然是开发和制造的领先公司之一。在所有类型的闪存中，NAND闪存是今天世界上使用最广泛的内存。

　　让我们来看看什么是闪存（Flash Memory）。智能手机能够在闪存中存储各种数据，如文本、图像和音乐，因为所有数据都是使用0和1以数字数据表示的。例如，想象一下，你的智能手机上显示了一张照片（图1）。如果我们放大并仔细观察此图像，它由一个点（像素）集合组成。每个单独的点由光的三种原色组成：红色、绿色和蓝色。在数字数据中，每个光的亮度都以256级调整，有八个0和1（2到8次方）。总共，24个0和1的组合可以表达大约1677万种颜色（256级红色×256级绿色×256级蓝色）。例如，图1中照片中的粉红色是亮红光（11111111）、深绿光（10000000）和亮蓝光（11000000）的组合，因此它可以存储为“11111111100000011000000”。通过这种方式，存储在智能手机中的文本、图像和音乐等所有数据都存储为0和1的组合。

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　　一、闪存（Flash Memory）的发展历史

　　闪存（Flash Memory）是由日本的舛岡富士雄（Fujio Muoka）发明的。他分别于1966年和1971年从日本东北大学（Tohoku University）获得学士和博士学位，博士毕业之后他加入了东芝（Toshiba）公司。在东芝工作期间，他分别于1980年和1988年发明了NOR Flash 和 NAND Flash。

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　　二、闪存（Flash Memory）的介绍

　　闪存，又可称作：闪速存储器，英文全称：Flash Memory，又简称Flash，是一种非易失性存储器,用存储单元阈值的高低表示数据。浮栅(Floating Gate )场效应管(见图5-80)是Flash存储单元采用的主要技术。浮栅上的电荷决定了场效应管的阈值:编程通过量子隧道效应将电子注入浮栅阈值增大，代表逻辑“0”;擦除则相反，将电子从浮栅中提出，阈值减小,代表逻辑“1”。

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　　三、闪存（Flash Memory）的主要特性

　　与传统的硬盘存储器相比，闪存（Flash Memory）具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下:

　　1、需要先擦除再写入

　　闪存（Flash Memory）写入数据时有一定的限制，它只能将当前为1的比特改写为 0，而无法将已经为0的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。

　　2、块擦除次数有限

　　闪存（Flash Memory）的每个数据块都有擦除次数的限制(十万到百万次不等)，擦写超过一定次数后，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。

　　为了最大化的延长闪存（Flash Memory）的寿命，在软件上需要做擦写均衡(Wear Leveling)，通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理(Bad Block Management，BBM)，标识坏块，不让坏块参与数据存储。(注:除了擦写导致的坏块外，闪存（Flash Memory）在生产过程也会产生坏块，即固有坏块。)

　　3、读写干扰

　　由于硬件实现上的物理特性，闪存（Flash Memory）在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常。这种异常可以通过重新擦除来恢复。闪存（Flash Memory）应用中通常会使用 ECC日等算法进行错误检测和数据修正。

　　4、电荷泄漏

　　存储在闪存（Flash Memory）存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误。不过这个时间比较长，一般十年左右。此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。

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　　四、闪存（Flash Memory）的基本储存单元构造

　　闪存（Flash Memory）的基本储存单元（Memory Cell）如下图所示。看起来有点像N沟道（N-Channel）MOS管，但比MOS管多一个悬浮闸（Floating Gate）。悬浮闸内可以储存电荷。在悬浮闸的两端，是层间绝缘膜和二氧化硅隧道氧化膜。一旦电荷进入悬浮闸内，在没有外部施加电压的情况下，可以被长期保存。常温环境下，这些电荷可以被保存10年以上。但如果环境温度过高，悬浮闸内的电子可能会因为获得热能而逃逸。电荷逃逸意味着数据丢失。悬浮闸的上方是控制闸（Control Gate），相当于MOS管的G极。悬浮闸的下方，左边是源极（Source），右边是漏极（Drian）。最下面是P阱（P-Well）。

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　　五、闪存（Flash Memory）的工作原理

　　闪存（Flash Memory）的基本单元就是一个带浮栅（Floating Gate）的MOS管（MOSFET），浮栅中可以存储电荷，从而改变该单元的控制栅极（Control Gate）开关阈值电平Vth，当浮栅中存有正电荷时（Erased）表示为“1”，当浮栅中存有负电荷/电子时（Programmed）表示为“0”。

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　　NAND Flash通常将多个基本单元串联起来形成一条String。如下图，共有32个基本单元，2个全局选通MOSFET（SGD，SGS）用来连接或者隔离 Bit Line（BL）和 Source Line（SL）。一条String上可能有 8 cells --> 16 cells --> 32 cells（0.12um工艺） --> 64 cells( 43nm工艺)。

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　　多条String 组合起来就可以形成一个 Block，其中一条word line 对应两个Page，奇数号BL对应一个Page，偶数号BL对应另外一个Page。

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　　多个Block就可以组成一个完整的NAND Flash，如下图：该NAND Flash包含8192个Block，每个Block包含有64个Page，每个Page包含有（4K +128 ）个Bytes。

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　　六、闪存（Flash Memory）的分类

　　目前市面上的闪存（Flash Memory）按照存储单元连接方式的不同，可分为或非闪存(NOR Flash)和与非闪存(NAND Flash)两种，它们的存储单元阵列如下图所示。

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　　NOR Flash 单元并联连接，比NAND Flash单元面积大容量小。NOR Flash的操作类似于SRAM和DRAM,可以实现快速随机读取，所以多用于代码存储。NAND Flash单元串联连接，成为一个存储单元串，减少了接触孔的数量。NAND Flash平均单个存储单元的面积接近4F2(F为工艺特征尺寸)，比NOR Flash 集成度更高，多个存储单元串构成存储单元块。NAND Flash 的擦除操作以块为单位进行,其读操作和编程操作以页为单位进行，非常适合大容量的数据存储应用。NANDFlash普遍用在智能手机、数码相机、MP3等电子产品;还可用来实现固态硬盘(Solid State Drive，SSD),作为硬盘的替代品，具有抗振、速度快、无噪声、耗电低的优点。

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　　按照单个存储单元存储数据位的多少，Flash分为SLC、MLC、TLC等。SIC 、MLC闪存单元阈值电压分布示意图如下图所示。SLC闪存的1个Flash单元存储1位信息。为了实现更高的存储密度，多电平(Muti-Level)闪存单元将阈值电压编程为多个电平,1个场效应管可以存放1位以上的信息。目前已经实现了1个闪存单元可以存放2位数据的MLC闪存和可以存放3位数据的TLC闪存。

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　　闪存存储单元所能存放的位数取决于阈值电压能被编程和被检测的精度。存储单元的阈值电压通过调整被选字线上的电压进行检测。不同的字线电压会导致位线流过存储单元的放电电流ICELL不同，通过识别电流大小即可判断阈值的大小。NAND闪存单元阈值电压检测电路如下图所示。首先，节点UOUT充电至UDD,并通过场效应管MN、对位线进行充电。由于MN的栅极电压为U1，所以位线充电至电压U1-UTHN,UTHN为阈值电压。然后，MN关闭，节点UOUT停止预充。存储单元串打开后位线开始放电，此时选中单元的字线电压为UREAD。最后，MN栅极电压为U2。此时如果UBLUREAD。U1、U2和UREAD电压的精度直接决定了阈值检测的精度,需要精心设计相关电压产生电路。

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　　保持时间(Retention Time)是衡量闪存可靠性的重要指标之一，表征了 Flash单元能保持数据的持续时间。实际应用中由于绝缘层中存在缺陷，浮栅上的电荷会逐渐泄漏。目前制造商通常规定的保持时间为10 年。耐久性(Endurance)是闪存设计的重要挑战，由于栅氧层在多次高电压操作后会逐渐损坏，并且随着工艺特征尺寸的缩小，相邻浮栅单元之间的耦合干扰愈发严重，一个单元能被擦除和重新编程的次数是有限的。目前，SLC耐久性的典型值为10万个擦除/编程周期，MLC的耐久性可低至1万个擦除/编程周期甚至更低。针对这些挑战，一方面通过工艺进步提升存储单元本身的耐久性，比如电荷俘获型(Charge Trap) Flash存储单元克服了浮栅单元之间的耦合干扰，使得Flash技术在平面可以继续微缩至十几纳米;另一方面通过芯片设计的改进降低阵列操作对存储单元的磨损,包括调整高电压操作的电压值以及时间长度,引入验证和禁止编程机制等。

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　　七、闪存（Flash Memory）的基础知识详解

　　以下就是本章节我要跟大家分享的重点内容，如有遗漏或是不足之前，还希望大家多多批评指正，欢迎大家一起交流学习：

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　　八、闪存（Flash Memory）的读写和擦除

　　这里我们以NAND Flash 为例子，简单说明一下闪存的读写和擦除操作。

　　1、读操作

　　如果要读取某个单元，一般将CG端接Vgate（通常为0V），Vd为1V，Vs接地。如果浮栅中有负电荷（Programmed），那么该MOSFET不通，Icell 电流=0，Bit Line寄生电容上的电压（一般会预充电（Precharge）到一个合适的电压）就不会产生太大的变化，Sensing 电路就会输出结果“0”，如果浮栅中有正电荷（Erased），那么该MOSFET也会导通，Icell电流大约为几百nA，Bit Line寄生电容上的电压就会很快下降，Sensing 电路就能感知这种变化，输出结果“1”。

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　　通常NAND Flash 读操作是以Page为单位的，对于选中的Page，在其对应的WL施加电压Vread（通常是0V），BL接1V，SL接地，其他所有没有选中的Page，在其对应的WL施加电压VpassR(通常为4.5V~6V)，这样便可以使得所有没有被选中的单元，都相当于一个直通（pass through）的MOSFET，从而Icell电流的大小，只取决于被选中的单元中是否存有电荷/电子。

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　　2、编程和擦除操作

　　写数据/编程时，通常是按照Page编程，把该Page对应的Word Line/控制栅极（Control Gate）的电压设置为20V，衬底接地，这样就会形成一个向下的强电场，从而使得电子通过 F-N Tunneling量子效应，进入浮栅，这样就实现了将数据“0”写入该单元。

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　　擦除一般是按整个Block进行擦除，通常是将该Block所有的Word line接地，然后将这个Block的衬底接20V，这样就可以将存储在浮栅中的电子移除，从而实现将整个Block中的数据擦除。

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　　九、闪存（Flash Memory）的应用领域

　　当前，在生成式AI技术浪潮的助推下，数据存储和处理的需求呈爆炸性增长。闪存（Flash Memory）技术作为一种高性能、低功耗、高可靠的存储解决方案，已在众多行业得到广泛应用，并成为推动业务发展及数据创新的重要引擎。闪存（Flash Memory）具有许多显著优势。首先，它的读写速度快，能够大大缩短数据访问的时间，提高系统的响应速度。其次，闪存（Flash Memory）具有低功耗的特点，这对于移动设备和对能源效率有严格要求的数据中心来说至关重要。

　　1、数据中心

　　数据中心需要处理海量的数据，闪存（Flash Memory）技术以其卓越的读写性能和低延迟特性，成为大数据分析和高并发应用的首选存储方案。SSD（固态硬盘）已逐步替代传统HDD（机械硬盘），成为数据中心的主流存储介质。通过SSD，数据中心能够更高效地处理海量数据，满足云计算和大数据的存储需求。

　　a.加速数据处理和响应

　　数据中心对系统响应时间要求极为苛刻。闪存（Flash Memory）技术凭借其极快的读写速度，能够显著缩短数据的访问时间，从而大幅提升数据处理的效率。无论是在线交易处理、实时数据分析还是云计算服务，闪存（Flash Memory）技术都能确保数据中心在最短的时间内为用户提供准确的信息，增强业务的连续性和竞争力。

　　b.提升虚拟机性能

　　随着虚拟化技术在数据中心的广泛应用，虚拟机的性能优化成为关键。闪存（Flash Memory）可以为虚拟机提供高速的存储支持，快速加载操作系统和应用程序，实现虚拟机的快速启动和迁移，极大地提高了资源的利用效率和灵活性，满足不同业务需求的快速部署和调整。

　　c.改善存储分层架构

　　数据中心通常采用存储分层策略，以平衡性能和成本。闪存（Flash Memory）技术因其出色的性能，成为存储分层中的关键一层。对于经常访问的热数据和对性能要求高的关键业务数据，将其存储在闪存（Flash Memory）层，可以显著提高数据的读取和写入速度，而相对不常访问的冷数据则可以存储在成本较低的传统存储介质上。

　　d.支持大数据分析和人工智能工作负载

　　大数据分析和人工智能应用需要处理海量的数据，并进行复杂的计算。闪存（Flash Memory）技术能够快速提供数据，减少数据读取的等待时间，从而加速模型训练和数据分析的过程。这对于金融风险预测、市场趋势分析等需要快速获得结果的业务场景至关重要。

　　e.降低能耗和空间占用

　　相比传统的机械硬盘，闪存（Flash Memory）技术具有更低的能耗和更小的物理尺寸。在大规模的数据中心中，采用闪存（Flash Memory）可以显著降低电力消耗和冷却成本，同时减少存储设备所占用的物理空间，有助于数据中心实现绿色、高效和集约化的运营。

　　f.保障数据一致性和可靠性

　　在关键业务应用中，数据的一致性和可靠性是首要考量。闪存（Flash Memory）技术能够提供稳定的性能和可靠的数据存储，减少数据丢失和错误的风险。结合先进的纠错和数据保护技术，闪存（Flash Memory）可以确保数据中心的数据完整性和业务的连续性。

　　总之，闪存（Flash Memory）技术已经成为现代数据中心不可或缺的组成部分，为数据中心的高效运行、业务创新和可持续发展提供了有力的支撑。随着技术的不断进步和成本的进一步降低，闪存（Flash Memory）技术在数据中心领域的应用前景将更加广阔。

　　2、汽车电子

　　随着汽车智能化的发展，汽车中的电子系统越来越复杂，需要大量的存储空间来存储地图、驾驶数据和娱乐内容。闪存（Flash Memory）技术的高可靠性和耐用性使其能够适应汽车复杂的工作环境。

　　a.车载信息娱乐系统

　　闪存（Flash Memory）技术可以用于存储车载信息娱乐系统的操作系统、应用程序和媒体文件等。它能够提供快速的数据读取和写入速度，确保系统的响应性和流畅性。

　　b.高级驾驶辅助系统（ADAS）

　　ADAS 系统需要处理大量的传感器数据，闪存（Flash Memory）技术可以用于存储这些数据以及相关的算法和模型。快速的闪存（Flash Memory）能够满足 ADAS 对实时数据处理的要求。

　　c.自动驾驶

　　自动驾驶汽车需要处理和存储大量的地图数据、传感器数据以及深度学习模型。闪存（Flash Memory）技术的高速读写和大容量特性使其成为自动驾驶系统中不可或缺的存储解决方案。

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　　十、写在最后面的话

　　闪存（Flash Memory），作为现代电子设备中至关重要的存储技术，正逐渐改变着我们的生活和工作方式。闪存（Flash Memory）是一种非易失性存储器，这意味着即使在电源关闭后，存储在其中的数据也不会丢失。

　　从工作原理来看，闪存（Flash Memory）通过在晶体管中存储电荷来表示数据。它采用了一种被称为“浮栅晶体管”的结构，利用电场来控制电荷的注入和释放，从而实现数据的写入和读取。与传统的机械硬盘相比，闪存（Flash Memory）具有更快的读写速度、更低的能耗、更小的体积和更强的抗震性。

　　闪存（Flash Memory）技术在多个领域都有着广泛的应用。在消费电子领域，如智能手机、平板电脑和笔记本电脑，闪存（Flash Memory）已经取代了传统的机械硬盘，成为主流的存储设备。其快速的启动速度和响应能力，为用户带来了更加流畅的使用体验。在企业级应用中，闪存（Flash Memory）也在数据中心、服务器等领域发挥着重要作用，能够大大提高数据处理和传输的效率。

　　随着技术的不断进步和需求的持续增长，闪存（Flash Memory）的发展前景极为广阔。

　　首先，在容量方面，闪存（Flash Memory）的存储密度不断提高。新的制造工艺和材料的研发使得单个闪存（Flash Memory）芯片能够容纳更多的数据，满足用户对于大容量存储的需求。

　　其次，性能的提升也是闪存（Flash Memory）发展的重要方向。更快的读写速度、更低的延迟将进一步拓展其应用领域，例如在高性能计算、人工智能等对数据处理速度要求极高的领域。

　　再者，成本的降低将使闪存（Flash Memory）更加普及。随着生产规模的扩大和技术的成熟，闪存（Flash Memory）的价格有望逐渐下降，使其在更多的设备和场景中得到应用。

　　以下是一个简单的对比表格，展示闪存（Flash Memory）与传统机械硬盘的一些关键特性：

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