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1、,存储器原理介绍,目 录,半导体存储器分类和原理介绍高速存储器的应用其他存储类型简介,半导体存储器主要类别,EEPROM存储单元原理：,背景知识：量子隧道效应经典物理学认为物体越过势垒，有一阈值能量；粒子能量小于此能量则不能越过，大于此能量则可以越过。例如骑自行车过小坡，先用力骑，如果坡很低，不蹬自行车也能靠惯性过去。如果坡很高，不蹬自行车，车到一半就停住，然后退回去。量子力学则认为即使粒子能量小于阈值能量，很多粒子冲向势垒，一部分粒子反弹，还会有一些粒子能过去，好象有一个隧道，称作“量子隧道”。1962年，英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森（Brian David Josephson，19
2、40）预言，当两个超导体之间设置一个绝缘薄层时，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。约瑟夫森的这一预言不久就为P.W.安德森和J.M.罗厄耳的实验 观测所证实电子对通过两块超导金属间的薄绝缘层（厚度约为10埃）时发生了隧道效应，于是称之为“约瑟夫森效应”。宏观量子隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而穿透绝缘层，使器件无法正常工作。因此，宏观量子隧道效应已成为微电子学、光电子学中的重要理论。,EEPROM存储单元原理：,0与1的读写： 以浮栅中是否
3、存有电子来区分逻辑状态0和1（也会以电荷多少来区分多个逻辑状态比如00、01、10、11等）。 写：当漏极接地，控制栅加上足够高的电压时（大于正常工作电压），交叠区将产生一个很强的电场，在强电场的作用下，电子通过绝缘层到达浮栅，使浮栅带负电荷。 擦：反之，当控制栅接地漏极加一正电压，则产生与上述相反的过程，即浮栅放电。 读：注入浮栅的负电荷，排斥P型硅基层上的电子，抵消提供给控制栅的电压。也就是说，如果浮置栅中积累了电荷，则阈值电压（Vth）增高。与浮置栅中没有电荷时的情况相比，如果不给控制栅提供高电压，则漏极源极间不会处于导通的状态。,每个存储单元类似一个标准MOSFET, 但有两个闸极。在
4、顶部的是控制闸(Control Gate, CG)，如同其他MOS晶体管。但是它下方则是一个以氧化物层与周遭绝缘的浮闸(Floating Gate, FG)。这个FG（多晶硅等）放在CG与MOSFET通道之间。由于这个FG在电气上是受绝缘层独立的, 所以进入的电子会被困在里面。在一般的条件下电荷经过多年都不会逸散。,EEPROM存储单元原理：,EEPROM 存储单元原理：,EEPROM 存储阵列：,EEPROM 芯片内部结构：,EEPROM ：,特点：可以随机访问和修改任何一个字节；具有较高的可靠性；电路复杂/单位容量成本高；容量小；,Flash Memory (flash erase EEP
5、ROM)：,Flash属于广义的EEPROM，因为它也是电擦除的rom。与EEPROM不同，flash擦除时不再以字节为单位，而是以块或页为单位，速度更快，所以被称为Flash erase EEPROM 。 任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。一般自带数据缓冲buffer。 Flash有Nor Flash和Nand Flash两种。,Flash 存储单元：,Flash存储单元由EEPROM过渡而来，核心依旧使用浮栅，但省去了一个控制管。Nor和Nand两种flash的存储单元排列形式不同。 NOR技术Flash Memo
6、ry结构，每两个单元共用一个位线接触孔和一条源线线，采用CHE（沟道热电子）的写入和源极FN擦除，具有高编程速度和高读取速度的优点。但其编程功耗过 大，在阵列布局上，接触孔占用了相当的空间，集成度不高。 NAND结构通过多位的直接串联，将每个单元的接触孔减小到12 n(n为每个模块中的位数，一般为8位或1 6位)，因此，大大缩小了单元尺寸。NAND采用编FN写，沟道擦除，其最大缺点是多管串联，读取速读较其他阵列结构慢。,Flash 存储结构：,Flash 存储结构：,Flash存储阵列的组成：pageblockplanedevice,Nor Flash与Nand Flash 比较：,性能： N
7、OR的读速度比NAND稍快一些 NAND的写入速度和擦除速度比NOR快很多 NOR可以直接使用，并可在上面直接运行代码 NAND一般不能直接运行程序，需要先拷贝到RAM区，再运行 NOR可以按字节来操作 NAND只能以页或者块为单位操作接口： NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节 NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。容量成本： NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，容量密度较高，成本较低；用途： NOR主要应用在代码存储介质，方便直接运行代码，如BIOS NAND适合存储大容
8、量数据。,未来3D NAND容量更大、速度更快、价格更便宜、可靠性更高,eMMC： Embedded MultiMedia Card,eMMC： Embedded MultiMedia Card,由于NAND Flash芯片的不同厂牌包括三星、东芝(Toshiba)或海力士(Hynix)、美光(Micron)等，当手机客户在导入时，都需要根据每家公司的产品和技术特性来重新设计，过去并没有1个技术能够通用所有厂牌的NAND Flash芯片。eMMC(Embedded MultiMedia Card )为MMC协会所订立的内嵌式存储器标准规格，主要是针对手机产品为主;eMMC结构由一个嵌入式存储解
9、决方案组成，带有MMC(多媒体卡)接口、快闪存储器设备及主控制器所有在一个小型的BGA封装。,eMMC内部结构：,eMMC=NAND falsh+控制器+标准接口（遵循eMMC协议）Samsung eMMC 5.1 provides faster speed compared to eMMC 5.0, eMMC 5.1 achieves 300 MB/s in sequential read, and 140 MB/s in sequential write while eMMC 5.0 provides 260 MB/s in sequential read, and 135 MB/s in
10、 sequential write.,MCP存储器：Multi-Chip-Package,MCP存储器，MCP是在一个塑料封装外壳内，垂直堆叠大小不同的各类存储器或非存储器芯片，是一种一级单封装的混合技术，用此方法节约小巧印刷电路板PCB空间。 手机中：eMMC+DDR RAM,UFS存储器：Universal Flash Storage,闪存的速度非常快，台式电脑和笔记本电脑上最新的闪存存储装置使用适当的接口后读写速度可以达到每秒约500MB。然而，对于智能手机、平板电脑、电子书阅读器等移动设备来说情况则完全不同，这些设备虽然同样使用闪存作为存储介质，但读取和写入速度无论如何都无法达到每秒5
11、00MB，在大部分移动设备上，闪存的速度甚至每秒只有约50MB，这是因为移动设备使用的闪存存储器不同于SATA接口的固态硬盘，而是嵌入式的多媒体存储卡（Embedded Multi Media Card，简称eMMC），它所使用的连接方式速度要慢很多。 2011年电子设备工程联合委员会（Joint Electron Device En gineering Council，简称JEDEC）发布了第一代通用闪存存储（Universal Flash Storage，简称UFS）标准，希望能够替代eMMC。然而，第一代的UFS并不受欢迎，因为相对于不断更新换代的eMMC它似乎没有提供足够的优势。为此，
12、JEDEC在2013年9月发布了新一代的通用闪存存储标准UFS 2.0。JEDEC采用了来自 MIPI 联盟的业界领先规范来建立互联层。UFS2.0版标准继续这一协作，引用了 M-PHY 3.0版规范与 UniProSM 1.6版规范。,UFS存储器：,UFS存储器：,RAM：Random access memory 随机存储器,之所以RAM被称为“随机存储”，是因为您可以直接访问任一个存储单元，只要您知道该单元所在记忆行和记忆列的地址即可。 与RAM形成鲜明对比的是顺序存取存储器（SAM）。SAM中的数据存储单元按照线性顺序排列，因而只能依顺序访问（类似于盒式录音带）。如果当前位置不能找到所
13、需数据，就必须依次查找下一个存储单元，直至找到所需数据为止。,SRAM：Static random access memory 静态随机存储器,SRAM是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据.,SRAM基本特点和用途：,DRAM：Dynamic random access memory动态随机存储器,当 DRAM 的电容器存储了电荷时，对于 FET 来说，形成反偏置状态，必然会发生漏电流，因此 DRAM 单元的电容器将必然进行放电。所以，需要定期将单元的状态恢复为初始状态，这称为刷新操作。,存储的电容器的容量非常之小，所以不可能一下子驱动公用数据线，需要放大。,D
14、RAM单元读过程：,SRAM与DRAM比较：,SDRAM：SynchronousDynamic random access memory同步动态随机存储器,SDRAM: 同步动态随机存储器，同步是指 Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。 SDRAM从发展到现在已经经历了五代，分别是：第一代SDR SDRAM，第二代DDR SDRAM，第三代DDR2 SDRAM，第四代DDR3 SDRAM，第五代DDR4 SDRAM 。 第一代SDRAM采用单端（Sin
15、gle-Ended）时钟信号,第二代开始由于工作频率比较快，所以采用可降低干扰的差分时钟信号作为同步时钟。,DDR SDRAM：Double Data Rate SDRAM双倍速率的SDRAM,比普通的SDRAM多了两个信号： CLK#与 DQS。CLK#与正常 CLK 时钟相位相反，形成差分时钟信号。而数据的传输在 CLK 与 CLK#的交叉点进行，可见在 CLK 的上升与下降沿（此时正好是 CLK#的上升沿）都有数据被触发，从而实现 DDR,DDR 差分时钟：起触发时钟校准的作用,由于数据是在 CK 的上下沿触发，造成传输周期缩短了一半，因此必须要保证传输周期的稳定以确保数据的正确传输，这
16、就要求 CK 的上下沿间距要有精确的控制。但因为温度、电阻性能的改变等原因，CK 上下沿间距可能发生变化，此时与其反相的 CK#就起到纠正的作用。,DDR 数据选取脉冲（DQS）:,DQS 是 DDR SDRAM 中的重要功能，它的功能主要用来在一个时钟周期内准确的区分出每个传输周期，并便于接收方准确接收数据。每一颗芯片都有 DQS 信号线，它是双向的，方向与数据流方向一致，但写数据与读数据的发生时间不同。,LPDDR：Low Power DDR,为了移动系统开发的DDR内存，主要在综合功耗方面做优化。相对于DDR，LPDDR 在如下几个方面改动：(1). 降低核心工作电压(2). DLL 省略：DLL (Delay Locked Loop，延时锁定回路)(3). 温度补偿刷新:温度感应，在低温下降低刷新率，降低在自刷新模式 下的功耗(4). 部分区域的自刷新:提供用户可控的部分区域自刷新，而非整个区域(5).超低功耗 模式,半导体存储器主要类别,高速存储器的应用：,时序和信号完整性：等长、等间距、端接匹配、拓扑结构、过孔、走线分叉等EMC：包地、隔离、屏蔽等,其他类型的存储器,磁：机械硬盘、软盘、磁带等；光：CD、DVD、蓝光等；电：SSD固态硬盘等；生物：DNA、细菌等,TKS!,
