为什么Micron的NAND Flash能达到200MB/s的读取速度

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标题：为什么Micron的NAND Flash能达到200MB/s的读取速度

2008-08-03 10:12:36

今天看到新闻Intel, Micron claim world’s fastest NAND flash，就直接到Micron的网站上浏览了一下。Micron的新产品分类为High Speed NAND Flash Products，用“High Speed”与原有NAND产品系列区分（估计ONFI 3.0兼容的产品出来后，还要加上“Ultra”，才能再分出一个类别来）。 riple
      Micron的High Speed系列目前按照容量分为8Gb、16Gb、32Gb三种，按照接口个数分为单端口（8Gb）和双端口（16、32Gb）两种。在Micron的网站上还看不到详细的datasheet，只能看到一个Product Brief和Flyer。 riple
      通过Product Brief可以得到8Gb芯片的如下信息：采用了50nm而不是72nm工艺生产；是SLC而不是MLC结构；4096Byte/Page，128Page/Block，512Block x 1/Plane，4Planes；I/O分为异步和同步（DDR）两种模式；速度最高的同步传输模式，读写I/O时间都是6ns/Toggle；读Array 30us/Page，写Array 160us/Page，擦Array 3ms/Block。 riple
      从上面的信息可以看出，High Speed特性要归功于6ns/Toggle的I/O时间，对于8bit的接口来说，相当于166MB/s的传输速度。 riple
      但是，NAND Flash的访问速度不仅仅取决于I/O速度，还和Array传输时间、芯片内部缓冲结构和Plane数量有关。 riple

〇、NAND Flash访问时间分析 riple

访问操作 = 命令输入 + I/O操作 + Array传输操作，第一项的操作时间所占比例很小，在性能估算中可以忽略。 riple
访问时间 = I/O时间 + Array传输时间，在上一代NAND Flash中，第一项占的比例最大，是第二项的4-5倍。 riple

Micron主要采用了如下的4种技术缩短了平均的访问时间。其中第一种技术是第一次在NAND Flash上应用，也是这次“大提速”的核心技术。正是这项技术的采用，使上述公式中的第一项缩小到上一代的1/5，才使得其他3项技术发挥了最佳的效果。 riple

一、接口传输模式对I/O速度的影响 riple

采用ONFi 2.0提出的DDR接口，提高了I/O数据传输速率：源同步（缩小了建立保持时间要求）、双边沿触发（加倍了数据传输速率）。 riple

三、缓冲与缓存对速度的影响 riple

Micron的NAND Flash的一大特点是：每一个Plane对应一个Page大小的缓冲（data register）和一个Page大小的缓存（cache register）。数据写入的顺序是：I/O -> cache register -> data register -> Plane，数据读出的顺序刚好相反。缓冲（data register）与缓存（cache register）之间的数据传输速度很快，data register可以把I/O操作和Array操作分隔开，形成I/O操作和Array操作的“两级流水线”。这种结构与上一代NAND Flash一样。（其实，4个Plane对应4个data register和1个cache register即可） riple

四、多Plane操作对速度的影响 riple

4个Plane对应4组缓冲与缓存，每一组可以分别操作。2个Plane交替操作，可以实现“乒乓操作”，达到2倍的Array访问带宽。4个Plane交替操作，可以实现“乒乒乓乓操作”，达到4倍的Array访问带宽。在上一代的NAND Flash芯片中，采用2Plane结构是比较常见的。 riple

五、200MB/s的读速度和100MB/s的写速度是怎样得到的 riple

读I/O时间：1Toggle/Byte x 6ns/Toggle x 4096Byte/Page = 24.6us/Page，与读Array时间30us/Page近似。在采用cache模式的读操作下，两级流水线的速度取决于“I/O速度”和“读Array速度”中较慢的一个，不采用多Plane操作，平均速度只能达到读Array速度，即4096Byte/30us =136MB/s；在2Plane模式下，读Array时间缩短至15us/Page，小于读I/O时间24.6us/Page，两级流水线的速度取决于“I/O速度”，平均速度达到I/O速度4096Byte/24.6us = 166MB/s，这与宣传中200MB/s的速度还有些差距。我们采用的I/O周期值是数据手册给出的，芯片实际能够运行的I/O速度往往要略高一些：在上面的分析中，只要I/O周期缩短至5ns/Toggle，“超频”后的读I/O时间就缩短至20us/Page，大于读Array时间15us/Page，两级流水线的速度仍然取决于“I/O速度”，这样一来平均读取速度就能达到4096Byte/20us =200MB/s。（从上面的分析看，如果不对I/O速度进行“超频”，平均读取速度是达不到200MB/s的，看来宣传还是略有夸张的） riple
写I/O时间：1Toggle/Byte x 6ns/Toggle x 4096Byte/Page = 24.6us/Page，与写Array时间160us/Page相差很多，单独采用cache模式不够，还要采用4Plane的“乒乒乓乓操作”，缩短写Array时间，尽量均衡流水线的两级操作时间。4Plane模式平均Array写操作时间为一次Array写操作时间的1/4，40us/Page。所以在cache模式配合4Plane模式的写操作下，流水线的速度等于流水线两级中最慢的“平均Array写速度”，可以近似为：4096Byte/40us = 102MB/s。 riple

从上面的分析可以看出，I/O速度限制了读取速度的最大值，在ONFi 3.0预计的400MB/s的I/O速度实现后，NAND Flash的平均读取速度也能够达到400MB/s（这回就要采用4Plane模式了）；Array传输速度限制了写入速度的最大值，如果不对芯片的内部结构和生产工艺进行改进的话，NAND Flash的平均写入速度很难进一步提高。 riple

PS：上述分析是针对8bit位宽接口的单个芯片的性能分析。如果两片8bit的芯片并联使用，位宽可以加倍，性能也会加倍，这是Samsung生产的SSD采用的技术。这样一来，SSD的性能就能达到400MB/s，惊人啊！。