计算机 - NAND闪存

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什么是 NAND 闪存？

NAND 闪存是一种非易失性存储器，它不需要定期供电即可工作并保留数据。其主要目标是快速读写内存数据，并最大化存储容量以存储大型数据并降低成本。

NAND 闪存将数据存储到内存块中，当电源关闭时，金属氧化物半导体激活电荷以保持存储单元功能。NAND 存储单元由两种类型的门组成：控制门和浮动门。这两个门都用于调节数据流。要编程一个单元，会在控制门上施加电压电荷。通常，NAND 闪存用于数码相机、MP3 播放器、USB 闪存驱动器、智能手机、平板电脑和笔记本电脑。

NAND 闪存用于哪里？

NAND 通常存在于存储卡、USB 闪存驱动器和固态硬盘中。NAND 闪存最广泛地用于我们家和办公室的手机、笔记本电脑和平板电脑中。它也用于交通信号灯、数字广告牌、乘客广播系统、显示设备或任何其他可能包含 NAND 闪存的数据传输和保留数据的人工智能 (AI) 应用中。

NAND 闪存正在不断发展以满足现代数据存储的需求。其稳健性、速度和成本效益使其成为不断变化的内存存储技术领域的关键参与者。

为什么 NAND 闪存很重要？

与传统的硬盘驱动器相比，基于 NAND 闪存的设备提供抗震性、出色的耐用性和承受极端压力和温度的能力。与 HDD 不同，它们没有移动部件，因此适用于产生振动和晃动的系统。NAND 还提供快速的读取访问时间，这在处理大量数据时至关重要。总的来说，NAND 最适合需要大量数据存储的应用。它提供更高的密度、更大的容量和更低的成本。它可以更快地擦除、顺序写入和顺序读取。

• 最广泛用于消费电子产品 - 它是各种电子产品（包括智能手机、平板电脑、数码相机和便携式媒体播放器）中存储数据的必不可少的组件。
• 对固态硬盘 (SSD) 至关重要 - 使用 NAND 闪存的 SSD 比传统硬盘提供了显著的性能提升。
• 便携性 - 其高存储密度使得开发轻量级存储设备（如 USB 闪存驱动器和存储卡）成为可能，这些设备是便携式数据存储和传输所必需的。
• 电源效率 - NAND 闪存比机械硬盘需要的功率更少，这对笔记本电脑、智能手机和平板电脑等电池供电设备至关重要。这种效率可以延长电池寿命并改善用户体验。
• 可靠性和耐用性 - 与传统硬盘不同，NAND 闪存由于没有移动部件，因此更能抵抗物理冲击和损坏。这使其非常适合需要高可靠性的便携式和苛刻的应用。
• 可扩展性和成本效益 - 该技术不断发展，以更低的每 GB 成本提供更大的存储容量。这使得可以以经济高效的方式存储大量数据，这对消费者和企业应用都有益。

NAND 闪存的特性

NAND 闪存的一些关键特性如下：

• 非易失性存储器 - NAND 闪存是非易失性的，这意味着它可以在没有电池或其他电源的情况下保留记录的数据，这使其适合长期数据存储。此类存储器可以长时间保存数据而不会损坏。
• 高密度 - NAND 闪存可以在较小的物理空间内提供高存储容量。其高密度特性使其可用于 SSD、USB 驱动器和存储卡。
• 耐用性 - 它可以写入和擦除数据 n 次，这使其非常耐用。
• 性能 - NAND 闪存允许快速读写操作。
• 成本效益 - 与其他类型的内存相比，NAND 闪存的每 GB 成本更低。
• 可重新编程 - NAND 闪存的特点是可以根据用户的需求进行编程。可编程的 IC 芯片可以存储任何类型的数据，从文档到电影，并允许用户在需要时使用它们。
• 更快的写入和擦除时间 - NAND 闪存可以快速读写数据；由于此特性，它在需要数据写入操作的应用领域中得到了最广泛的应用。它也是 NAND 闪存的一个区别特性，即擦除其内容所需的时间更少。
• 更多存储空间 - NAND 闪存可以存储高达 2TB 的存储设备。现代 NAND 闪存正在推出以存储大型数据。
• 低制造成本 - 其制造成本相对较低。
• 数据完整性和可靠性 - 先进的纠错码 (ECC) 和磨损均衡算法用于提高数据完整性和延长内存寿命。
• 可扩展性 - NAND 闪存可以扩展到极高的容量，这是大型数据存储解决方案的驱动因素。

NAND 闪存的工作原理

NAND 闪存通过一系列过程进行操作，这些过程涉及使用浮栅晶体管存储和检索数据。其整体工作原理取决于其结构、数据存储功能以及读取和擦除数据。以下是不同阶段的简要说明：

结构

NAND 闪存由存储数据位的存储单元组成。每个单元由一个浮栅晶体管组成，该晶体管在控制栅和衬底之间有一个额外的栅（浮栅）。内存中的这些单元被分成页面，这是最小的写入单元。页面被划分为块，这是最小的可擦除组件。

存储数据

浮栅可以存储表示数据的电荷；此电荷的存在或不存在表示单元存储二进制“0”或“1”。要写入数据，请在控制栅上施加高电压，这会导致电子穿过薄氧化层并被困在浮栅上。晶体管的阈值电压根据存储在浮栅上的电荷而变化，从而允许单元表示不同的状态。

读取数据

要读取数据，会在控制栅上提供电压。流过晶体管的电流量由存储在浮栅上的电荷决定。传感器电路检测电流流向并根据晶体管的阈值电压识别存储的数据（“0”或“1”）。

擦除数据

NAND 闪存无法删除单个位或页面；相反，它会擦除整个块。要擦除一个块，会以相反的方向提供高电压，从而从浮栅上移除电子并将单元恢复到其默认状态（通常为“1”）。

NAND 闪存类型

常见的 NAND 闪存存储类型包括 SLC、MLC、TLC、QLC 和 3D NAND。以下是这些类型的简要说明：

SLC

SLC 是单层单元的缩写。它是较旧的 NAND 闪存之一，每个单元仅表示一位（比特）。SLC 或单层单元每个单元存储一位。SLC 提供最佳耐用性，但它也是最昂贵的 NAND 闪存存储类型。

多层单元

MLC 或多层单元每个单元存储两位；因此，每个多层单元可以存储两位。这些单元的耐用性低于 SLC，因为写入周期和保证发生的频率是 SLC 的两倍。

三层单元

TLC 代表三层单元。顾名思义，每个单元包含三位内存，允许在相同占地面积内存储更多数据。TLC 驱动器主要由企业和消费类公司使用。

四层单元

每个四层单元可以表示多达四位，因为“四”表示“四”。与硬盘驱动器相比，QLC 内存是提供最低每 TB 成本的技术。

3D NAND 闪存

3D NAND 闪存通过在三维矩阵中垂直构建存储单元来节省空间。这种生产 NAND 内存存储芯片的方法节省了许多物理空间，使芯片更小。