摘要:在闪存中,“1”或“0”被存储,具体取决于电流是否在内存单元中流动。此外,存储单元控制栅极电压(Vcg)越高,电流流动就越容易。电流流动的控制栅极电压的下限称为“阈值电压”。
“多级单元技术”是实现大容量闪存的主要技术之一。起客工于2001年推出的1 Gbit MLC NAND闪存是世界上首次将多级蜂窝技术应用于NAND闪存产品。
闪存上“1”和“0”的确定以及数据读/写操作
在闪存中,“1”或“0”被存储,具体取决于电流是否在内存单元中流动。此外,存储单元控制栅极电压(Vcg)越高,电流流动就越容易。电流流动的控制栅极电压的下限称为“阈值电压”。
电荷储存膜中的电子数量越少,电流就越容易流动。出于这个原因,在图1(a)中的存储单元中,阈值电压较低,因为电荷存储膜中没有电子。另一方面,在(b)的存储单元中,阈值电压更高,因为电荷存储膜中有很多电子。
图1。存储单元阈值电压
在电流容易流动的状态下,即阈值电压低的状态下,数据为“1”。此外,在电流难以流动的状态下,即阈值电压高的状态下,数据为“0”。在实际的闪存芯片上,内存单元数量非常多,即使它们具有相同的数据,每个内存单元的阈值电压也会有所不同,因此“1”内存单元的阈值电压分布如图2(a)所示。同样,“0”内存单元的阈值电压分布如图2(b)所示。
在读取操作期间,存储单元控制栅极电压Vcg被设置为读出电压,该电压位于数据“1”的阈值电压分布和数据“0”的阈值电压分布之间。此时,在数据“1”存储单元中,阈值电压低于读出电压,因此电流流动。在数据“0”内存单元中,阈值电压高于读出电压,因此没有电流流动。
图2。存储单元阈值电压分布和读出操作
在闪存中,写入操作可以改变存储单元的阈值电压。如图3所示,随着写入操作的重复,存储单元中电荷存储膜中的电子数量增加,阈值电压增加。
图3。内存单元中的写入操作导致阈值电压的变化
通过多级细胞技术增加容量的机制
KIOXIA还通过BiCS FLASH™上的“多层”以外的方法实现了闪存容量的增加。其中一种方法是“多级细胞技术”。
“多层”可以通过堆叠来增加每个单位面积的内存单元数。另一方面,通过“多级单元技术”,可以增加每个单个内存单元中可以存储的数据量。
计算机处理的数据量的单位称为比特,其中“1位”表示可以用二进制数表示的最小数据量。在传统的存储单元中,单个存储单元存储单个位,存储了“1”或“0”的两种模式。这对应于图4中的“1位/细胞(SLC)”。如图3所示,通过进一步细分存储单元电荷存储膜中的电子数量,可以创建三个以上的阈值电压分布。例如,如果可以创建四个阈值电压分布,那么,如图4中的“2位/电位(MLC)”所示,可以用“0”和“1”的组合来表示每个阈值电压分布,因此可以存储“11”、“10”、“01”和“00”的四个模式。在这种情况下,可以将两个数据位存储在单个内存单元中。同样,如果有可能创建八个阈值电压分布,那么,如图4中的“3位/单元(TLC)”所示,可以存储八个不同的模式,三位数据可以存储在单个内存单元中。
缩写的解释SLC:单级单元,MLC:多级单元,TLC:三级单元,QLC:四级单元
1位/单元格(SLC):一个数据位存储在单个存储单元格中
2位/单元格(MLC):两个数据位存储在单个内存单元格中
3位/单元格(TLC):三个位数据存储在单个存储单元格中
图4。用于闪存的多级单元技术
此外,如果有可能创建16个阈值电压分布,那么,如图5中的“4位/单元(QLC)”所示,可以存储16种不同的模式,四个位数据可以存储在单个单元格中。通过这种方式,当单个存储单元中的数据量为N位时,阈值电压分布的数量和不同模式的数量为2的N的次方。
使用不同的多级细胞技术用于不同的用途
如果闪存中每个存储单元的存储容量的位N数量随着多级单元技术的增加而增加,则可以增加闪存的容量,并降低每数据量的成本。然而,如果增加N的数量,则需要更精细的阈值分布。为此,有必要慢慢写作。此外,随着N数量的增加,阈值电压之间的间隔会变窄,因此有必要缓慢地执行读数,与N数量小时相比,寿命更短。换句话说,较大的N值更适合容量和成本优先的应用,较小的N值更适合性能和寿命优先的应用。此选项在闪存中为每个内存单元使用不同的位存储容量,以适应不同的产品应用,其优点是闪存用于极其广泛的应用。
即使写入和读取执行缓慢,也不容易缩小存储单元阈值电压分布的宽度。特别是,为了使存储单元阈值分布宽度和阈值分布间隔极小,如图5所示的QLC,技术难度非常高,也有必要接受提高性能和尽可能延长寿命的挑战。对于这样的目标,通过汇集电路、工艺和制造技术等广泛领域的技术,实现了QLC等极高水平的多级电池技术。
图5。多级细胞技术的特点
多级内存芯片,以增加内存容量
当使用迄今为止解释的多级单元技术时,可以使用单个多级内存芯片实现多个SLC内存芯片的容量。如图6所示,这意味着,例如,以前需要两个SLC内存芯片容量的产品可以用单个MLC内存芯片实现。同样,需要三个SLC内存芯片容量的产品可以用单个TLC内存芯片实现,需要四个SLC内存芯片的产品可以用单个QLC内存芯片实现。
当有可能减少内存芯片的数量以实现相同的容量时,这意味着一些产品将能够提高其容量的上限。例如,在将各种部件插入极小空间的产品中,如智能手机或存储卡,安装的容量通常由空间决定。然而,即使可用空间相同,也可以使用多级单元技术将安装容量增加一倍以上。
图6。通过多级单元技术提高数据存储容量
自东芝时代以来,KIOXIA一直在开发这里描述的多级电池技术。2001年,我们推出了1 Gbit MLC NAND闪存,这是世界上第一个多级电池技术应用于NAND闪存产品。在2007年的一次国际学术会议上,我们展示了16 Gbit QLC NAND闪存,这是QLC技术界首次应用于NAND闪存产品。
该图是“多级电池技术”的简化机制,可能与实际产品不同。来源:卡比獸papa