NAND Flash 详细说明

1. NAND 到底是什么

NAND Flash 是一种非易失性存储介质，断电后数据仍能保存。
它的核心特点不是“像硬盘一样按块覆盖写”，而是：

• 以 page 为基本读写单位
• 以 block 为基本擦除单位
• 擦除前不能随意覆盖写
• 天生存在坏块
• 需要 ECC、坏块管理、磨损均衡

工程上如果说 NAND，通常默认指的是 Raw NAND，也就是裸 NAND 器件。

2. NAND 的基本组织结构

NAND 一般按下面几层组织：

• Cell
• Page
• Block
• Plane
• LUN
• Die

最重要的是前三层：

Page

Page 是最基本的读写单位，典型大小常见为：

• 2KB
• 4KB
• 8KB
• 16KB

很多器件还会给每个 page 配一个 OOB/Spare 区，用来存：

• ECC 校验数据
• 坏块标记
• 文件系统/FTL 元数据

Block

Block 是最基本的擦除单位，一个 block 由多个 page 组成。
典型可能是：

• 64 pages/block
• 128 pages/block
• 256 pages/block

为什么这很重要

因为 NAND 的物理约束是：

• 读：按 page
• 写：按 page
• 擦：按 block

这就决定了上层软件不能简单地像磁盘那样“就地覆盖写”。

3. NAND 的工作原理

NAND 单元通过浮栅或电荷陷阱存储电荷状态。
读操作通过感知阈值电压来判断存储值；写操作本质上是编程；擦除则通常以 block 为单位清空电荷状态。

从软件视角最重要的结论只有三个：

1. 写入会损耗介质
2. 擦除比读写慢得多
3. 读出的比特错误率会随寿命和工艺演进而上升

这就是为什么 NAND 必须和：

• ECC
• 坏块管理
• 磨损均衡
• 垃圾回收

这些机制一起使用。

4. NAND 的类型

按每个 cell 存的 bit 数，常见有：

• SLC：1 bit/cell
• MLC：2 bit/cell
• TLC：3 bit/cell
• QLC：4 bit/cell

SLC

特点：

• 速度快
• 寿命高
• BER 低
• 成本高

适合：

• 工业
• 启动区
• 高频写日志
• 高可靠设备

MLC

特点：

• 成本和性能平衡
• 寿命低于 SLC

TLC

特点：

• 单位容量成本更低
• 写入和读扰更敏感
• ECC 和管理策略要求更高

QLC

特点：

• 容量成本优先
• 延迟和寿命压力更大

5. NAND 的接口与标准

Raw NAND 最常见的标准脉络有两类：

1. ONFI
2. Toggle DDR

5.1 ONFI

ONFI 全称是 Open NAND Flash Interface。
它的目标是把 NAND 的接口、参数页和部分行为标准化，降低主控适配成本。

ONFI 的几个关键价值：

• 标准化 parameter page
• 标准化器件识别
• 标准化接口能力描述
• 支持更高速的数据传输模式

5.2 Toggle DDR

Toggle DDR 更多见于部分大厂高速 NAND 体系。
核心思路是进一步提升数据传输效率和接口速度。

工程上要记住的是：

• ONFI/Toggle 解决的是“接口和传输”
• 它们不等于“你就不用做 ECC 和坏块管理”

6. NAND 的时序

NAND 的 timing 很重要，因为它和 eMMC/UFS 这种受管设备完全不是一套思路。

NAND 时序一般分成两类：

6.1 接口级时序

这部分关注主机如何在总线上把命令、地址、数据送给 NAND。

典型参数：

• tCLS/tCLH
• tALS/tALH
• tDS/tDH
• tWP/tWH
• tRP/tREH
• tRC/tWC

这些大多是 ns 级。

6.2 阵列内部时序

这部分反映 NAND 内部真的在干什么。

典型参数：

• tR：读出 page 所需时间
• tPROG：编程一个 page 所需时间
• tBERS：擦除一个 block 所需时间

典型量级通常是：

• tR：几十到上百 us
• tPROG：几百 us
• tBERS：几 ms

这意味着什么

这意味着：

• 接口信号很快
• 但阵列内部操作并不快

所以很多 NAND 系统的瓶颈不在“总线频率”，而在：

• program
• erase
• ECC
• block recycle

7. NAND 的访问流程

7.1 读流程

主机典型流程：

1. 发读命令
2. 发列地址/行地址
3. 等待 ready/busy
4. 读出 page 数据
5. 读出 OOB
6. 做 ECC 校验和纠错

7.2 写流程

主机典型流程：

1. 发 program setup
2. 发地址
3. 写数据和 OOB
4. 发 program confirm
5. 等待 busy 完成
6. 读状态

7.3 擦除流程

主机典型流程：

1. 发 erase setup
2. 发 block 地址
3. 发 erase confirm
4. 等待 busy
5. 读状态

这意味着主机必须真的理解 NAND 协议。

8. NAND 为什么难用

Raw NAND 难用，不是因为接口线多，而是因为它把复杂性都留给了系统。

系统必须自己解决：

• ECC
• 坏块管理
• 磨损均衡
• FTL 或 UBI
• 断电保护
• 元数据一致性
• 块回收

如果这些处理不好，就会出现：

• 数据读不回
• 写入失败率上升
• 寿命衰减过快
• 量产后随机坏

9. ECC 为什么是 NAND 的核心

随着工艺演进和 TLC/QLC 普及，NAND 原始误码率越来越高。
所以 ECC 从“可选优化”变成“系统生死线”。

常见 ECC 方案：

• Hamming
• BCH
• LDPC

粗略理解：

• 老 SLC/低密度时代，ECC 压力较小
• 新工艺/高密度时代，ECC 强度必须明显提高

如果 SoC NAND controller 的 ECC 能力不够，后期寿命会很危险。

10. 坏块管理

NAND 出厂就可能带坏块，后续使用过程中也会继续长坏块。

所以系统必须做到：

• 识别出厂坏块
• 运行期发现新增坏块
• 避免关键数据落在坏块
• 建立坏块表或坏块策略

坏块管理是 Raw NAND 系统量产稳定性的关键之一。

11. 磨损均衡与垃圾回收

因为 NAND 擦写次数有限，所以不能让少数 block 被反复写爆。

这就需要：

• Wear Leveling
• Garbage Collection

Wear Leveling

目标：

• 让擦写分布更均匀

Garbage Collection

目标：

• 回收失效页所在 block
• 迁移有效数据
• 释放新块

代价：

• 写放大
• 延迟抖动

12. 软件栈

在 Linux 里，Raw NAND 通常走：

• MTD
• UBI
• UBIFS

或某些系统自己做：

• 专用 FTL
• 专用日志存储层

MTD

直接面向 flash 语义，不假装自己是块设备。

UBI

负责把坏块、磨损和卷管理抽象起来。

UBIFS

运行在 UBI 之上的文件系统。

这套栈比 eMMC 的块设备栈复杂得多，但也更符合 Raw NAND 的物理现实。

13. NAND 的优点

Raw NAND 的优点主要有：

• cost per bit 通常更低
• 控制权高
• 可深度定制
• 可针对特定 workload 做优化
• 某些场景可实现更可预测的行为

特别适合：

• 成本极敏感产品
• 有成熟 NAND 团队的公司
• 工业日志型系统
• 专用设备

14. NAND 的缺点

Raw NAND 的缺点也非常明显：

• 开发难度高
• 驱动/BSP 依赖强
• 量产验证周期长
• 对 ECC 和坏块策略要求高
• 软件栈复杂
• 不适合小团队快速量产

换句话说：

Raw NAND 便宜的只是器件，不是整个系统。

15. 适合用 NAND 的场景

更适合选 Raw NAND 的情况通常是：

• 团队有成熟 MTD/UBI/FTL 经验
• SoC 自带强 NAND controller 和 ECC
• 需要最低存储 BOM
• 负载模型固定
• 愿意投入长期验证和维护

如果这些条件不满足，很多项目最后都会转向 eMMC。

16. 总结

可以把 Raw NAND 概括成一句话：

它不是一个现成块设备，而是一种需要系统自己接管管理的闪存介质。

它的价值在于：

• 成本低
• 控制权高
• 可定制性强

它的代价在于：

• 软件复杂
• 风险高
• 量产难

17. 参考资料

1. Micron, “Choosing the right NAND”
   https://www.micron.com/products/storage/nand-flash/choosing-the-right-nand

2. Micron, “ONFI advantages”
   https://www.micron.com/products/storage/nand-flash/onfi-advantages

3. ONFI Workgroup
   https://onfi.org/

4. ONFI 3.0 新闻稿
   https://investors.micron.com/news-releases/news-release-details/onfi-announces-publication-30-standard-pushes-data-transfer

5. Alliance Memory Parallel NAND datasheet
   https://www.alliancememory.com/wp-content/uploads/AllianceMemory_AS9Fxx_Series_1Gb_2Gb_4Gb_8Gb_x8bits_SLC_Parallel_NAND_Fl.pdf

6. Kioxia Serial NAND datasheet brief
   https://europe.kioxia.com/content/dam/kioxia/newidr/productinfo/datasheet/201910/DST_TC58CYG2S0HRAIJ-TDE_EN_36007.pdf