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手机闪存有什么用(手机闪存的技术解析)

手机闪存有什么用(手机闪存的技术解析)

手机是由许多部件组成的。除了处理器、运行内存、图形处理器等核心硬件,flash传输也是影响手机性能和读取速度的重要指标。近年来,手机的flash传输规范有了很大的提高,手机的flash传输性能有了很大的提升,从eMMC规范的标准到现在的eMMC 4.3存储产品。但在目前主流旗舰手机都采用eMMC 5.0闪存的趋势下,一种新的闪存传输标准悄然出现,这就是UFS 2.0闪存传输标准,比eMMC 5.0的读取性能更快。

什么是闪存?闪存是一种新型的存储器(换句话说,是一种存储器格式)。闪存的类型有很多种,包括AND、NAND、NOR、DiNOR等,其中NAND和NOR是目前最常见的类型。比如iPhone5用的东芝24 nm NAND闪存。闪存具有可擦、可写、可编程存储的优点,掉电后写入的数据不会丢失。它们都广泛应用于数码相机、MP3播放器和移动存储设备。

手机闪存的读写性能一直是我们评测中非常重要的一项,因为在实际体验中,闪存的性能对体验的影响非常大。

首先我们要知道一个闪存(也就是ROM)一般是由NAND颗粒、一个主芯片和一个数据接口组成的。UFS、eMMC和NVMe实际上指的是传输协议,可以看作是主芯片和数据接口。

事实上,eMMC以前几乎主导了移动市场。这个标准从eMMC4.3发展到现在的5.1,传输速度从50MB/S飙升到600 MB/s,但eMMC标准的潜力在这几年被榨干了,于是出现了更强的UFS和NVMe协议。因为NVMe只在手机等品类的iPhone等产品中使用,这里就不详细介绍了。

EMMC一次只能在一种状态下读写,而UFS支持同时读写数据,待机状态下UFS的功耗要低很多。速度上的差异更大,UFS 2.0的理论速度达到780MB/S,UFS 2.1达到1.5 GB/s

也许在很多人看来,手机的读写速度是在复制文件的时候体现出来的,慢一点也可以忍受。然而,实际情况远不止如此。手机体验并不总是由处理器决定的。其实手机卡卡不卡是由SoC和内存决定的,速度更多是由闪存速度决定的。举几个最常见的例子,软件安装的速度,游戏加载的速度,照片等文件的读取速度,都依赖于闪存的速度。

比如有的人可能会发现,快速滑动相册的时候,明明已经滑得很低了,照片列表却全黑。这是因为闪存跟不上操作,导致来不及读取我们划过的所有照片。处理器决定的是手机在这个滑动过程中是否会卡死。

技术特点NOR闪存与NAND闪存有很大不同。比如NOR闪存更像内存,有独立的地址线和数据线,但是更贵,容量更小。NAND型更像硬盘,地址线和数据线共用一条I/O线。所有类似硬盘的信息都是通过一条硬盘线传输的,与NOR型闪存相比,NAND型成本更低,容量也大得多。所以NOR闪存更适合频繁随机读写,通常用来存储程序代码,直接在闪存中运行。手机是NOR闪存的大用户,所以手机的“内存”容量通常不大;NAND闪存主要用于存储数据,我们常用的闪存产品,如闪存盘、数码存储卡等,都使用NAND闪存。

单片闪存这里我们还需要纠正一个概念,那就是闪存的速度其实是非常有限的,它本身的运行速度和频率都比内存低很多,类似硬盘的NAND闪存的运行效率也比直接访问内存慢很多。所以,不要认为优盘的性能瓶颈是接口,甚至想当然的认为使用USB2.0接口后优盘的性能会有很大提升。

如前所述,NAND闪存的运行模式效率低下,与其架构设计和接口设计有关。它真的像硬盘一样运行(其实NAND闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性),性能特点也与硬盘非常相似:小数据块的运行速度很慢,而大数据块的速度却很快,远大于其他存储介质。这个表现特点非常值得我们关注。

闪存访问速度更快,无噪音,散热更少。如果对用户空间容量需求不大,打算买的话,可以不考虑太多就买闪存。如果需要大容量空间(比如500G),买个硬盘,便宜点,也能满足用户应用的需求。

微软SQL Server的产品管理总监Claude Lorenson对微软服务器环境下LSI闪存产品的未来持乐观态度。由于LSI的闪存产品Nytro MegaRAID可以帮助微软SQL实现每秒10倍的交易量增长,“闪存存储技术,如LSI的Nytro应用程序加速产品组合,可以用于加速关键的业务应用程序,如SQL Server 2012”,Lorenson在一份公司声明中表示,“随着微软将在Windows Server 8中提供的增强功能,这些技术的重要性将继续增长。

存储原理要解释闪存的存储原理,还是先从EPROM和EEPROM说起。EPROM是指内容可以通过特殊手段擦除,然后重写。其基本单元电路(存储单元)往往采用浮栅雪崩注入MOS电路,简称FAMOS。类似于MOS电路,在N型衬底上生长两个高浓度P型区,通过欧姆接触分别引出源极S和漏极D。在源极和漏极之间,有一个浮在二氧化硅绝缘层中的多晶硅栅极,它与周围没有直接的电连接。在这个电路中,浮栅是否充电用来表示1或0的存储。浮栅充电(如负电荷)后,源漏间感应出正导电沟道,使MOS管导通,意味着0的存储。如果浮栅不充电,不形成导电沟道,MOS管不导通,即存储1。

EEPROM基本存储单元电路的工作原理如下图所示。类似于EPROM,它在EPROM基本单元电路的浮栅之上生成一个浮栅,前者称为第一级浮栅,后者称为第二级浮栅。第二级浮栅可以引出一个电极,使得第二级浮栅连接到某个电压VG。如果VG为正电压,则在第一浮栅和漏极之间产生隧道效应,使得电子注入第一浮栅,即编程和写入。如果VG设置为负电压,第一级浮栅中的电子将被耗散,即被擦除。擦除后可以重写。

闪存的基本单元电路和EEPROM类似,也是由双层浮栅MOS管组成。然而,第一层栅极电介质非常薄,并且充当隧道氧化物层。写入方法与EEPROM相同,向第二浮栅施加正电压,使电子进入第一浮栅。读取方法与EPROM相同。擦除方法是对源极施加正电压,利用第一级浮栅与源极之间的隧穿效应,将注入浮栅的负电荷吸引到源极。因为源极是用正电压擦除的,每个单元的源极是连在一起的,所以闪存不是按字节擦除,而是按整个芯片或块擦除。后来随着半导体工艺的提高,闪存也实现了单晶体管(1T)的设计,主要是在原有的晶体管上增加了浮栅和选择栅。

sto的浮动棚

数据为0时只写,数据为1时什么都不做。当写入0时,高电压被施加到栅电极和漏电极,这增加了在源电极和漏电极之间传导的电子能量。这样电子就会突破氧化膜绝缘体进入浮栅。

读取数据时,在栅电极上施加一定的电压,电流大时为1,小时为0。当浮栅中没有电子时(数据为1),在栅电极上加电压时,漏极上加电压,由于大量电子的运动,源漏之间会产生电流。但当浮栅中有电子时(数据为0),沟道中传导的电子会减少。因为施加到栅电极的电压被浮栅电子吸收,所以很难影响沟道。


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