手機電腦都在用 探秘快閃記憶體記憶數據的原理

1987年，東芝發明NAND Flash，締造了快閃記憶體世界。時至今日，手機、固態硬碟以及大部分數碼設備當中依然使用NAND快閃記憶體來記錄數據。

快閃記憶體到底是如何實現存儲數據功能的？斷電後數據不丟失、寫入前必須先擦除，這些快閃記憶體特性又是如何產生的？存儲極客今天就帶你探秘快閃記憶體的工作原理。

快閃記憶體顆粒內有無數個快閃記憶體單元（Cell），它是記錄數據的最小單元。下圖是一個FG型快閃記憶體單元的結構示意圖。從上到下分別是控制柵極（紫色）、阻擋氧化層（紅色，絕緣層）、浮柵層（黑色）、隧道氧化層（褐色，絕緣層）、襯底（漸變灰）。此外還有藍色的Source源極和Drain漏極。不懂半導體原理也不要緊，我們只需叫的上名字，後邊的內容很簡單。

一個快閃記憶體單元必須先擦除才能寫入新數據。擦除的過程就是在源極、襯底和漏極施加一個高電壓（如20V），此時就會發生量子隧道效應，位於浮柵極當中的電子衝破隧道氧化層，從浮柵極中逃出。

在漏極施加低電壓（如1V），如果感測器能夠檢測到電流，說明當前浮柵極中沒有電子。和很多朋友想像中不太一樣，擦除後的快閃記憶體單元表達的並不是0，而是1。

接下來我們看數據如何寫入到快閃記憶體。寫入過程對於快閃記憶體單元來說就是編程（Program），在控制柵極施加一個高電壓（如20V），在強電場的作用下產生量子隧道效應，電子衝破隧道氧化層進入到浮柵層當中。快閃記憶體不能覆蓋寫入，就是因為需要先通過擦除將浮柵層中電子清除出去。

一旦電子進入到浮柵極之後，氧化隧道層將發揮它的作用，阻礙電子從中逃逸出去。這就是快閃記憶體能夠在斷電後繼續保存數據的基礎。

寫入數據之後再發生讀取時，浮柵極中有電子，感測器檢測不到電流，返回結果是0。

當然，上面介紹的僅僅是最簡單的FG型SLC快閃記憶體單元，一個單元只表達了一個比特的數據。而當前手機以及固態硬碟當中使用的3D TLC快閃記憶體跟他們相比已經有很大的不同。隨著製程微縮進入瓶頸期，隧道氧化層變薄會導致快閃記憶體擦寫壽命下降，促成了快閃記憶體向3D工藝轉換。下圖為FG型快閃記憶體與東芝BiCS快閃記憶體的對比圖，BiCS使用全新結構的Charge Trap單元，增強了寫入壽命表現。

今年問世的蘋果iPhone XS/XS MAX以及當前在售的東芝原廠固態硬碟，均使用了64層堆疊的東芝BiCS三維快閃記憶體。

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