镁光256Gb NAND Flash芯片介绍

总体概述

该芯片是一款典型的大容量NAND Flash存储颗粒，支持Open NAND Flash Interface (ONFI) 2.1的接口标准，采用ONFI NANDFlash的操作协议。该芯片采用Multiple-level Cell （MLC）技术，根据不同的容量，一个芯片内部封装了多个DIE（LUN），每个DIE由两个Plane构成，一个Plane可以分成2048个Block，每个Block由256页组成，一个页的大小为8KB+448B的组织结构方式。

 

在性能方面，一个Page页的读延迟在50us左右，页编程时间为900us，块擦除时间长达3ms。每个块的标称擦除寿命达到5000次。

        

 

芯片接口及信号

镁光的芯片支持同步和异步两种接口模式。在异步接口模式下，采用5个控制信号，分别为#CE，CLE，ALE，#WE和#RE，另外#WP用于控制芯片的写保护，R/#B用于检测芯片的当前状态。在同步操作模式下，#WR引脚为时钟输入信号，#RE信号为读写方向指示信号。

 

NAND Flash的接口信号具体定义如下：

一个NAND Flash物理芯片可以由多个DIE（或者称之为LUN）的单元构成，每个DIE会有一套独立的上述提及的控制信号线。一个DIE中会存在若干个Plane，每个Plane有许多Block单元组成，一个Block单元是一个最小的擦除单位，并且有数量较多的Page页构成，每次写的最小单元就是一个Page页。对于容量较小的芯片，芯片厂商只会封装一个DIE，每个DIE的内部结构如下图所示：

对于镁光512Gb芯片，一个DIE内部集成了两个Plane，通过一套控制信号线和寄存器控制内部的两个Plane同时并发工作。值得一提的是，多个DIE（LUN）可能会共享一套控制信号线，因此，在物理上多个DIE会被封装成一个Target。需要注意的是，同一个Target内部的DIE虽然共享了物理信号线，但是寄存器都是相互独立的。因此，从结构上来看，一个NAND Flash的内部架构可以只由一个DIE（LUN）构成，如下图所示：

也可以在一个芯片中集成多个DIE（LUN），每个DIE拥有一套独立的物理信号线，如下图所示：

在高密的封装中，没有那么多的物理信号线，那么同一个Target中会集成多个DIE（LUN），如果下图所示：

无论如何去封装，每个DIE（LUN）中的基本结构是相同的。

 

NAND Flash存储单元

NAND Flash中一个DIE（LUN）中的存储单元通常由多个Plane构成，其结构如下：

上图所示的一个Page页大小为8KB，考虑到spare area的448字节空间，因此需要14位地址访问一个page页，即地址信号的最低14位为页内地址。一个block块内部有256个page页，需要8位地址（Page address，PA）信息去访问一个block块内部的不同page页。一个Plane内部存在2048个block块，需要11位（Block address，BA）去访问一个Plane中的不同block块。一个DIE（LUN）中存在2个Plane，需要一位地址位去访问一个DIE中的不同Plane。因此，40位地址信息的定义如下表所示：

CA0~CA13为页内偏移访问地址信息，PA0~PA7为页地址信息，BA8为DIE中的Plane选择地址位，BA9~BA19为DIE中的块地址信息，另外，LA0为一个Target中的DIE（LUN）选择地址位，在该NANDFlash芯片中，一个Target中可以集成2个DIE。

 

在每个Plane单元中都存在两个寄存器：一个为cache寄存器；另一个为data寄存器。Cache寄存器的作用是缓存NAND Flash控制器输入的数据，而data寄存器的作用是提升数据读取和写入的性能，数据传输和数据加载之间的操作。在数据读取和数据写入的过程中，都提供了流水并发操作模式，这类模式都充分利用了这个data寄存器。

读写操作时序

镁光的NAND Flash芯片提供了两种操作模式，一种为异步操作模式；另一种为同步操作模式。异步操作是一种比较传统的接口模式，NAND Flash和控制器处于两个时钟域，所有的信号在数据传输过程中都需要进行同步操作，因此性能比较差。同步操作由外部提供参考时钟，NAND Flash和控制器处于同一个时钟域，可以获取较高的读写性能。

异步操作

异步操作模式非常适合单片机之类的控制器对其进行操作，不需要特殊的NAND Flash控制器，普通的总线操作就可以对NAND Flash进行控制操作。异步数据写操作的时序如下图所示：

在#WE信号的驱动下，DQ总线上输入对应的数据，并且在#WE信号上升沿之后需要保持tDH时间。在#WE信号上升沿驱动下，DQ总线上的数据被锁存到NAND Flash的数据寄存器中。

在RDY信号为高电平时，说明可以从NAND Flash指定位置中读取数据，读操作的时序如下图所示：

在读信号#RE的下降沿驱动下，数据从NAND Flash中输出到数据总线DQ上。NAND Flash控制器可以在#RE信号的上升沿采样数据总线DQ上的数据。当NAND Flash控制器给定的读信号频率较快时，通过#RE上升沿信号无法正确采样数据总线上的数据时，可以通过下一个#RE信号的下降沿采样总线上的输出数据。如下图所示：

因此，在异步总线操作时，需要考虑#RE读信号频率和tRC之间的时间关系。通过这个时间关系来确定具体的读数据采样方式。

同步操作

同步操作是一种高速接口，和DDR内存接口类似，可以通过上下沿同时采样的方式提升数据传输效率。在同步模式下，时钟信号需要外部持续不断的输入，NAND Flash通过控制ALE、CLE、#CE、W/#R、DQS信号来控制数据的输入和输出。在同步模式下的数据输入时序如下图所示：

DQS信号由NAND Flash控制器驱动，并且和时钟信号同频同相。在CLK时钟信号的上升沿和下降沿将总线上的数据锁存到NAND Flash内部的寄存中。为了能够让NAND Flash在DQS的上升沿和下降沿采样到总线上的数据，在沿变化之前，NAND Flash控制器需要在总线DQ上准备好写入的数据。

 

当RDY信号为高电平时，表明可以从NAND Flash中输出数据。在读操作的时候，数据总线DQ、总线指示信号DQS需要由NAND Flash控制，控制器需要释放对这些信号线的控制。数据读总线操作时序如下图所示：

可以发现总线数据锁存信号DQS和时钟信号CLK同频，但是会存在一定的相差，这样NAND Flash控制器可以通过CLK时钟信号的双沿变化对总线上的数据进行采样，从而可以正确的读取NAND Flash中的数据。

 

NAND Flash操作命令

NAND Flash的操作通过一系列的命令来完成。镁光芯片的操作命令定义如下：

命令一共分成9大类，包括复位操作、识别操作、配置操作、状态操作、地址操作、读操作、写（编程）操作、擦除操作以及写回操作。在NAND Flash控制器的软件中需要将这些最底层的命令封装成NAND Flash操作库。

 

读命令

对于读操作，NAND Flash提供了多种模式。普通的页读操作效率比较低，在发起页读取的时候需要输入具体的命令和地址信息，然后再输出数据，具体的操作时序如下图所示：

输入命令和地址信息之后，RDY信号变低，NAND Flash需要等待一段时间之后才能输出数据，当数据准备完毕，可以输出时，RDY信号变高。NAND Flash在这个过程中需要不断检测RDY信号，当该信号由低变高之后，可以通过同步或者异步的方式输出数据。

 

在NAND Flash的内部，有一个data cache寄存器，通过该寄存器可以将数据读取操作分成两个阶段：一个是从page cache寄存器向NAND Flash控制器传输数据；另一个是从NAND Flash中向data寄存器加载数据。这两个操作可以进行流水并发，命令0x31就是用来实现这个流水并发操作的。为了提高数据输出的效率，在普通页读取的基础上，通过0x31命令可以在数据从page cache输出的同时从NAND Flash中向data cache加载新的数据。这种并发模式分成两类：一类为顺序读，另一类为随机读，在操作时序上存在差别。下图为并发顺序读的操作时序：

在指定地址的数据从page cache中输出的同时，NAND Flash会将下一页数据加载到data寄存器中，这样当NAND Flash控制器读取完指定page中的数据之后，下一页数据也已经被加载成功了。通过这种流水机制，提升读性能。

 

除了可以流水并发顺序page页之外，也可以将随机的page页进行并发流水读取，如下图所示：

在页读取命令发送完毕之后，当该数据被加载到page cache之后，RDY信号由低置高。紧接着输入另一个页地址，以及流水加载命令0x31。在page cache中数据往外输出的同时，NAND Flash中的数据并发输出到data寄存器中。通过这种方式可以流水并发读取两个离散page页中的数据。

 

对于并发读取两个plane中的数据，NAND Flash也提供了0x00-0x32控制命令，通过该命令可以实现多个plane数据的并发加载，从NAND Flash中加载到各自对应的page cache中。

写（编程）命令

普通的写命令允许NAND Flash控制器将数据写入NAND Flash中的page cache寄存器，并且将数据从page cache寄存器中写入到NAND Flash介质中。一个普通的页编程时序如下图所示：

该过程可以分成三大步骤：第一步输入控制命令、操作地址信息；第二步输入需要写入的数据至page cache；第三步启动编程，将page cache寄存器中的数据写入NAND Flash介质。

 

如果每次写入操作都经历上述过程，那么写延迟将会变得很长。为了提高页写入性能，NAND Flash提供了流水并发模式，该模式充分利用了data寄存器。采用的命令是0x80-0x15，时序如下图所示：

在该模式下，在地址和命令的控制下，数据被首先写入到page cache寄存器中。当0x15控制命令发送完毕之后，page cache寄存器中的数据会被拷贝到data寄存器中。拷贝进行时RDY信号置低，当拷贝完成之后，RDY信号变高电平。NAND Flash控制器在这种情况下可以输入下一个页的数据，在下一个页数据输入的过程中，NAND Flash会并发将data寄存器中的数据写入指定的介质中去。从而达到控制器输入和具体的编程操作之间的流水并发，提高了page页写操作的吞吐量。

 

需要结束流水编程时，在最后一页数据写入之后，写入0x10命令即可。具体的时序操作如下图所示：

对于并发编程两个Plane中的数据页，NAND Flash提供了0x80-0x11命令。通过该命令可以直接将数据写入到多个Plane中的page cache寄存器中，从而实现多个Plane中的数据页并发写入。

 

擦除操作命令

擦除操作是一个非常费时的操作，对于NAND Flash而言，一个最小的擦除单元是block块。当需要对一个块进行擦除操作时，需要输入块的地址以及对应的控制命令，具体时序如下图所示：

在擦除的过程中，RDY信号会置低，此时该DIE将无法进行正常的读写操作。所以，虽然不同的Plane之间拥有不同的寄存器组，但是由于物理信号线是共用的，所以，一旦一个Plane中的block进入了擦除状态，那么整个DIE的读写操作将会受到影响。

 

COPYBACK命令

在wear-leveling操作，或者garbage collecting的时候，通常需要将一个page页中的数据拷贝到另一个page页，这就用到了COPYBACK的功能。该命令可以将一个page页中的数据加载到寄存器中，然后直接写入到指定的另一个page页中。

 

在实际操作过程中，考虑到NAND Flash中的数据可能已经遭到破坏，NAND Flash通常建议控制器在数据回拷的过程中，对迁移的数据进行校验。为此NAND Flash提供了COPYBACK READ的控制操作过程，如下图所示：

COPYBACK READ命令执行完毕之后，数据会输入到NANDFlash控制器，控制器中的ECC解码器对数据进行校验，如果数据发生错误，那么在COPYBACK WRITE的过程中可以将正确的数据写入到NAND Flash中，在这个过程中可以使用CHANGE WRITE COLUME实现对page页的随机写操作。该时序如下图所示：

当更新的数据被写入到Page cache寄存器之后，启动页编程，完成COPYBACK操作。

（吴忠杰，存储之道）

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