闪存颗粒到底是何物？浅析闪存及制程

如果用一个词来描述2016年的固态硬盘市场的话，那么闪存颗粒绝对是会被提及的一个关键热词。在过去的2016年里，围绕着闪存颗粒发生了一系列大事，包括闪存颗粒的量产引发固态涨价，闪存颗粒的制程问题引发的厂商竞争，以及“日经贴”般的MLC/TLC颗粒的优劣问题。

那么，到底什么是闪存颗？2D NAND和3D NAND之间又有哪些区别和联系？下面，我们一一来解读。

闪存颗粒到底是什么？

闪存颗粒，又称闪存，是一种非易失性存储器，即在断电的情况下依旧可以保存已经写入的数据，而且是以固定的区块为单位，而不是以单个的字节为单位。

根据用途和规格不同，闪存颗粒有很多不同的变种，今天我们主要讨论的是用于固态硬盘等存储设备中的、最为常用的NAND闪存颗粒。

NAND闪存颗粒，是闪存家族的一员，最早由日立公司于1989年研制并推向市场，由于NAND闪存颗粒有着功耗更低、价格更低和性能更佳等诸多优点，成为了存储行业最为重要的存储原料。

根据NAND闪存中电子单元密度的差异，又可以分为SLC（单层次存储单元）、MLC（双层存储单元）以及TLC(三层存储单元)，此三种存储单元在寿命以及造价上有着明显的区别。

在这里我们就不再展开讨论了。

2D和3D闪存之间的区别和联系

在解释3D NAND之前，我们先得弄清楚2D NAND是什么，以及“2D”和“3D”的真实含义。

首先是2D NAND，我们知道在数学和物理领域，2D/3D都是指的方向，都是指的坐标轴，“2D”指的是平面上的长和宽，而“3D”则是在“2D”基础上，添加了一个垂直方向的“高”的概念。

由此，2D NAND真实的含义其实就是一种颗粒在单die内部的排列方式，是按照传统二维平面模式进行排列闪存颗粒的。

相对应的，3D NAND则是在二维平面基础上，在垂直方向也进行颗粒的排列，即将原本平面的堆叠方式，进行了创新。

利用新的技术(即3D NAND技术)使得颗粒能够进行立体式的堆叠，从而解决了由于晶圆物理极限而无法进一步扩大单die可用容量的限制，在同样体积大小的情况下，极大的提升了闪存颗粒单die的容量体积，进一步推动了存储颗粒总体容量的飙升。

同时，在业界，根据在垂直方向堆叠的颗粒层数不同，和选用的颗粒种类不同，3D NAND颗粒又可以分为32层、48层甚至64层 3D TLC/MLC颗粒的不同产品，这取决于各大原厂厂商的技术储备和实际选用的颗粒种类。

我们可以打个比方，来理解2D NAND和3D NAND技艺之间的区别和联系。

2D NAND就如同在一块有限的平面上建立的数间平房，这些平房整齐排列，但是随着需求量的不断增加，平房的数量不断井喷，可最终这块面积有限的平面只能容纳一定数量的平房而无法继续增加；

3D NAND则就如同在同一块平面上盖起的楼房，在同样的平面中，楼房的容积率却远远高于平房，因而它能提供更多的空间，也就是提供了更大的存储空间，而32层、48层以及64层，则就是这些楼房的高度，一共堆叠了多少层。

虽然，3D NAND技术能够在同等体积下，提供更多的存储空间，但是这项堆叠技术对于原厂制造商来说有着相当的操作难度，需要原厂有着相当的技术积累，因而目前能够掌握3D NAND技术的原厂公司十分少见，只有三星、美光等少数公司的3D NAND颗粒实现了量产和问世。

存储芯片 emmc、Nand flash、Nor flash之间有什么区别

随着存储领域的发展，有很多不同的存储介质，今天ICMAX就带大家来分一分emmc、Nand flash、Nor flash之间的区别。

一、定义及区别

emmc：全称为embeded MultiMedia Card，是一种嵌入式非易失性存储器系统，由Nand flash和Nand flash控制器组成，以BGA方式封装在一款chip上。

Nand flash：一种存储数据介质；若要读取其中的数据，需要外接的主控电路。

Nor flash：也是一种存储介质；它的存储空间一般比较小，但它可以不用初始化，可以在其内部运行程序，一般在其存储一些初始化内存的固件代码。

这里主要重点讲的是emmc 和Nand flash 之间的区别，主要区别如下：

(1) 在组成结构上：emmc存储芯片简化了存储器的设计，将NAND Flash芯片和控制芯片以MCP技术封装在一起，省去零组件耗用电路板的面积，同时也让手机厂商或是计算机厂商在设计新产品时的便利性大大提高。而NAND Flash仅仅只是一块存储设备，若要进行数据传输的话，只能通过主机端的控制器来进行操作，两者的结构图如下：

(2) 在功能上：eMMC则在其内部集成了 Flash Controller，包括了协议、擦写均衡、坏块管理、ECC校验、电源管理、时钟管理、数据存取等功能。相比于直接将NAND Flash接入到Host 端，eMMC屏蔽了 NAND Flash 的物理特性，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 NAND Flash 进行特殊的处理。同时，eMMC通过使用Cache、Memory Array 等技术，在读写性能上也比 NAND Flash要好很多。而NAND Flash 是直接接入 Host 端的，Host 端通常需要有 NAND Flash Translation Layer，即 NFTL 或者 NAND Flash 文件系统来做坏块管理、ECC等的功能。另一方面，emmc的读写速度也比NAND Flash的读写速度快，emmc的读写可高达每秒50MB到100MB以上；

二、emmc的初始化和数据通信

emmc与主机之间通信的结构图：

其中包括Card Interface（CMD，DATA，CLK）、Memory core interface、总线接口控制（Card Interface Controller）、电源控制、寄存器组。

图中寄存器组的功能见下表：

CID: 卡身份识别寄存器 128bit,只读， 厂家号，产品号，串号，生产日期。

RCA: 卡地址寄存器，可写的16bit寄存器，存有Device identification模式由host分配的通信地址，host会在代码里面记录这个地址，MMC则存入RCA寄存器，默认值为0x0001。保留0x0000以用来将all device设置为等待CMD7命令状态。

CSD: 卡专有数据寄存器部分可读写128bit，卡容量，最大传输速率，读写操作的最大电流、电压，读写擦出块的最大长度等。

SCR: 卡配置寄存器， 可写的 64bit 是否用Security特性(LINUX不支持)，以及数据位宽（1bit或4bit）。

OCR: 卡操作电压寄存器 32位， 只读，每隔0.1V占1位， 第31位卡上电过程是否完成。

（5）Device Identification Mode和初始化

MMC通过发CMD的方式来实现卡的初始化和数据通信

Device Identification Mode包括3个阶段Idle State、Ready State、Identification State。

Idle State下，eMMC Device会进行内部初始化，Host需要持续发送CMD1命令，查询eMMC Device是否已经完成初始化，同时进行工作电压和寻址模式协商：eMMC Device 在接收到这些信息后，会将OCR的内容（MMC出厂就烧录在里面的卡的操作电压值）通过 Response 返回给 Host，其中包含了 eMMC Device 是否完成初始化的标志位、设备工作电压范围 Voltage Range 和存储访问模式 Memory Access Mode 信息。

如果 eMMC Devcie 和 Host 所支持的工作电压和寻址模式不匹配，那么 eMMC Device 会进入Inactive State。

Ready State，MMC完成初始化后，就会进入该阶段。

在该 State 下，Host 会发送 CMD2命令，获取eMMC Device 的CID。

CID，即 Device identification number，用于标识一个 eMMC Device。它包含了 eMMC Device 的制造商、OEM、设备名称、设备序列号、生产年份等信息，每一个 eMMC Device 的 CID 都是唯一的，不会与其他的 eMMC Device 完全相同。

eMMC Device 接收到CMD2后，会将 127 Bits 的CID的内容通过 Response返回给 Host。

Identification State，发送完 CID 后，eMMC Device就会进入该阶段。

Host 会发送参数包含 16 Bits RCA 的CMD3命令，为eMMC Device 分配 RCA。设定完 RCA 后，eMMC Devcie 就完成了 Devcie Identification，进入 Data Transfer Mode。

注：emmc初始化和数据通信的过程，有点类似USB协议，USB控制器去发送请求给USB设备，以IN包和OUT包的形式去建立与USB设备之间的通信，默认状态下，USB设备也是0地址的，与控制器分配设备地址。（感兴趣的可以看一下USB2.0的协议，主要是第8和9章内容）

三、eMMC工作电压和上电过程

根据工作电压的不同，MMC卡可以分为两类：

High Voltage MultiMediaCard，工作电压为3.3V左右。

Dual Voltage MultiMediaCard，工作电压有两种，1.70V~1.95V和2.7V~3.6V，CPU可以根据需要切换

我所使用的eMMC实测工作电压VCC为2.80V~2.96V，VCCQ为1.70V~1.82V。

其中VCC为MMC Controller/Flash Controller的供电电压，VCCQ为Memory和Controller之间I/O的供电。

上电初始化阶段MMC时钟频率为400KHz，需要等电压调整到它要求的VCC时（host去获取OCR中记录的电压值，上面有说），MMC时钟才会调整到更高的正常工作频率。

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