基本结构
flash存储器是一种非易失性存储器，其核心结构建立在浮栅晶体管（Floating Gate Transistor）的基础上，每个存储单元通过控制栅极与浮栅层之间的电荷存储来改变阈值电压，从而记录数据，整体架构包括存储阵列、外围电路与接口逻辑，主要分为NOR和NAND两种类型,它们在内部连接方式与操作方式上有显著差异。
存储单元
每个存储单元是一个浮栅MOSFET，包含源极、漏极、控制栅极以及被氧化物层包围的浮栅层，浮栅用于存储电荷,电荷的注入或移除会改变晶体管的阈值电压：
- 当浮栅带负电时，阈值电压升高，读取时晶体管不导通，对应逻辑“1”（或“0”，取决于定义）。
- 当浮栅不带电时，阈值电压较低，读取时晶体管导通,对应相反的逻辑状态。
根据单元存储的比特数,可分为：
- SLC：每单元1比特（2个阈值区间）
- MLC：每单元2比特（4个阈值区间）
- TLC：每单元3比特（8个阈值区间）
- QLC：每单元4比特（16个阈值区间）
阵列结构
NOR Flash
- 每个存储单元的一端连接位线，另一端连接源线,控制栅连接字线。
- 支持随机读取，读取速度快，但写入和擦除速度较慢,擦除以块为单位。
- 常用于代码存储（如BIOS、嵌入式系统）。
NAND Flash
- 多个存储单元串联成串，一端连接位线,另一端通过选择晶体管连接源线。
- 按页读取和写入，按块擦除，读取速度较慢，但写入和擦除速度快,存储密度高。
- 广泛用于固态硬盘、U盘、存储卡等大容量存储。
| 特性 | NOR Flash | NAND Flash |
|---|---|---|
| 单元连接方式 | 位线与源线独立 | 串联成串 |
| 读取方式 | 随机读取（字节级） | 页读取（512B~16KB块） |
| 写入/擦除速度 | 慢（擦除大块） | 快（页写入，块擦除） |
| 存储密度 | 低 | 高 |
| 典型应用 | 代码存储、低容量 | 数据存储、大容量 |
内部组成模块
- 存储阵列：由浮栅晶体管组成的矩阵,分为多个块和页。
- 行解码器：选择字线（对应页或块）。
- 列解码器：选择位线（对应列或字节）。
- 页缓冲区：读写时临时存储一页数据,通常为SRAM。
- 控制逻辑：管理命令解析、状态机、时序控制。
- 电荷泵：产生高电压用于编程（写入）和擦除操作。
- 寄存器：包括命令寄存器、地址寄存器、状态寄存器等。
操作方式
- 读取：给字线施加读取电压，检测位线电流,判断单元状态。
- 编程（写入）：通过Fowler-Nordheim隧道效应或热电子注入向浮栅注入电荷,通常以页为单位。
- 擦除：使浮栅电荷流出，恢复为低阈值状态，以块为单位进行，擦除后所有位变为“1”（或“0”）。
相关问题与解答
问题1：NAND Flash 为何需要先擦除再写入？
解答：NAND Flash 的存储单元在写入时只能将阈值电压从低向高调整（即从“1”变为“0”），而无法逆向调整，如果需要将某位从“0”变为“1”，必须通过擦除操作将整个块内的所有单元恢复到高阈值状态（或低阈值状态，取决于协议），擦除是以块为单位进行的，因为块内所有单元共享同一衬底，一次性施加擦除电压最有效率，所以写操作前如果目标位置已有数据，需要先擦除该块，再写入新页，这种“写前擦除”特性是Flash存储器的固有特点。
问题2：NOR Flash 与 NAND Flash 在结构上的主要区别是什么？
解答：两者最根本的区别在于存储单元的连接方式。NOR Flash中每个单元的一端直接连接位线，另一端连接源线，控制栅连接字线，形成类似“与非”的阵列结构，支持随机字节级读取。NAND Flash则将多个单元串联成串，串的一端通过选择管连接位线，另一端连接源线，控制栅分别连接不同字线，形成类似“与非”的串联结构，这种结构使得NAND Flash的单元面积更小，存储密度更高，但无法直接随机访问单个字节，必须按页读取，NOR Flash通常使用热电子注入进行编程，而NAND Flash主要使用Fowler-Nordheim隧道效应，这导致两者的功耗、速度与应用场景不同。
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