手机闪存的技术解析

　　一部手机由许多零部件组成，除了处理器、运行内存、图形处理器等硬件会影响手机的性能之外，闪传也是一个影响性能和手机读取速度的重要指标。在手机兴起的这几年中，手机的闪传规格有了很大的提高，从eMMC规格的标准逐渐从eMMC 4.3时代发展到现时的eMMC 5.0存储产品，手机的闪传性能有了十分大的提高。不过，在现在主流旗舰手机都采用eMMC 5.0规格的闪存的潮流中，一种新的闪传规格悄然出现，它就是UFS 2.0闪传标准，有着比eMMC 5.0更快的读取性能。

　　什么是闪存

　　闪存： 闪存是采用一种新型内存（换句话说就是一种内存格式的一种）。闪存有许多种类型，从结构上分主要有AND、NAND、NOR、DiNOR等，其中NAND和NOR是目前为常见的类型。例如iPhone5所采用的东芝24纳米NAND闪存。闪存具有内存可擦可写可编程的优点，还具有写入的数据在断电后不会丢失的优点。所有被广泛应用用于数码相机，MP3，及移动存储设备。

　　手机闪存读写成绩一直都是我们评测中非常重要的一项，因为在实际使用体验中，闪存性能对于使用体验的影响其实非常大。

　　首先我们需要知道，一般一块闪存（就是我们常说的ROM）都由NAND颗粒、主控芯片和数据接口组成，UFS、eMMC和NVMe其实都指传输协议，大家可以当作是主控芯片和数据接口部分。

　　其实之前eMMC几乎统治了移动市场，这一标准从eMMC4.3一路发展到现在的5.1，传输速度也从50MB/S一路狂飙600MB/S的速度。但是eMMC标准的潜力近年来已经被榨干了，所以更强的UFS和NVMe协议就登场了。因为手机等类别中，NVMe只用在iPhone等产品上，这里就不详细介绍了

　　eMMC在同一时间只能维持读取或者写入一种状态，而UFS支持同时读写数据，并且在待机状态下，UFS的功耗要低得多。速度方面差异就更大了，UFS 2.0理论速度达到780MB/S、UFS 2.1更是高达1.5GB/S。

　　可能在很多人眼中，手机的读写速度不就是拷文件的时候有体现么，慢一些也能忍。可是实际情况远不止这一项，手机使用体验并不都是由处理器来决定的，实际上，手机卡不卡由SoC和内存决定，而快不快更多由闪存速度决定。举几个常见的例子，软件安装速度、游戏载入速度、相片等文件的读取速度等都很依赖闪存速度。

　　比如说，可能有人会发现迅速滑动相册的时候，明明自己已经滑倒很下面了，但是照片列表却都是黑的，这就是闪存读写跟不上操作，导致来不及读出我们划过的所有相片，而处理器决定的，其实是在这个滑动过程中手机会不会出现卡顿。

　　技术特点

　　NOR型与NAND型闪存的区别很大，打个比方说，NOR型闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而NAND型更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，而且NAND型与NOR型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大；NAND型闪存主要用来存储资料，我们常用的闪存产品，如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。

　　单片机闪存

　　这里我们还需要端正一个概念，那就是闪存的速度其实很有限，它本身操作速度、频率就比内存低得多，而且NAND型闪存类似硬盘的操作方式效率也比内存的直接访问方式慢得多。因此，不要以为闪存盘的性能瓶颈是在接口，甚至想当然地认为闪存盘采用USB2.0接口之后会获得巨大的性能提升。

　　前面提到NAND型闪存的操作方式效率低，这和它的架构设计和接口设计有关，它操作起来确实挺像硬盘（其实NAND型闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性），它的性能特点也很像硬盘：小数据块操作速度很慢，而大数据块速度就很快，这种差异远比其他存储介质大的多。这种性能特点非常值得我们留意。

　　闪存存取比较快速，无噪音，散热小。用户空间容量需求量小的，打算购置的话可以不考虑太多，同样存储空间买闪存。如果需要容量空间大的（如500G），就买硬盘，较为便宜，也可以满足用户应用的需求。

　　微软的SQL Server产品管理主管Claude Lorenson，看好LSI的闪存产品在微软服务器环境中的未来。因为 LSI的闪存产品Nytro MegaRAID可以帮助微软SQL实现了每秒交易的10倍增长，“闪存存储技术，如LSI的Nytro应用加速产品组合，可以用来加速关键业务应用，如SQL Server 2012”，Lorenson在一份公司的声明中表示“随着微软将在Windows Server 8中提供的增强，这些技术的重要性将继续增长。

　　存储原理

　　要讲解闪存的存储原理，还是要从EPROM和EEPROM说起。　　EPROM是指其中的内容可以通过特殊手段擦去，然后重新写入。其基本单元电路（存储细胞），常采用浮空栅雪崩注入式MOS电路，简称为FAMOS。它与MOS电路相似，是在N型基片上生长出两个高浓度的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多晶硅栅极浮空在SiO2绝缘层中，与四周无直接电气联接。这种电路以浮空栅极是否带电来表示存1或者0，浮空栅极带电后（譬如负电荷），就在其下面，源极和漏极之间感应出正的导电沟道，使MOS管导通，即表示存入0。若浮空栅极不带电，则不形成导电沟道，MOS管不导通，即存入1。

　　EEPROM基本存储单元电路的工作原理如下图所示。与EPROM相似，它是在EPROM基本单元电路的浮空栅的上面再生成一个浮空栅，前者称为级浮空栅，后者称为第二级浮空栅。可给第二级浮空栅引出一个电极，使第二级浮空栅极接某一电压VG。若VG为正电压，浮空栅极与漏极之间产生隧道效应，使电子注入浮空栅极，即编程写入。若使VG为负电压，强使级浮空栅极的电子散失，即擦除。擦除后可重新写入。

　　闪存的基本单元电路，与EEPROM类似，也是由双层浮空栅MOS管组成。但是层栅介质很薄，作为隧道氧化层。写入方法与EEPROM相同，在第二级浮空栅加以正电压，使电子进入级浮空栅。读出方法与EPROM相同。擦除方法是在源极加正电压利用级浮空栅与源极之间的隧道效应，把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除，因此各单元的源极联在一起，这样，快擦存储器不能按字节擦除，而是全片或分块擦除。 到后来，随着半导体技术的改进，闪存也实现了单晶体管（1T）的设计，主要就是在原有的晶体管上加入了浮动栅和选择栅，

　　在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为0，无电子为1。

　　写入时只有数据为0时才进行写入，数据为1时则什么也不做。写入0时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。

　　读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为1，电流小则定为0。浮动栅没有电子的状态（数据为1）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为0）下，沟道中传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难对沟道产生影响。