【Maker電子學】Flash 記憶體的原理與應用—PART4（NOR Flash的結構）

Posted By Liang Bird on 6 月 3, 2024 in Flash 記憶體, Maker電子學, 教學文 | 0 comments

上一回我們講了 NOR Flash Memory 發明的故事，以及在 Flash Memory 這個產業中至關重要的關鍵人物舛岡富士雄，也提到他與 Toshiba 的恩怨情仇。舛岡富士雄隨後也發明了現在更廣泛使用、密度更高的 NAND Flash。

不過，這一回我們要先來看看 NOR Flash 的結構與技術。

隨機存取記憶體 RAM

在 EEPROM 與 NOR Flash 剛發明的那個年代，另外一種記憶體—DRAM（dynamic RAM）也正蓬勃發展（DRAM 發明之前的主要記憶體技術是利用拴鎖（latch）電路構成的 SRAM（static RAM））。

SRAM 由於可以靠邏輯電路正反器的特性保持狀態，當它裡面一個 bit 被設定爲 0 或 1 時，只要電源持續存在，就可以保持這個狀態，不會改變，因此稱之爲「靜態」（static）的隨機存器記憶體（RAM），但構成一個正反器需要至少四個電晶體，再加上讀取和定址所需要的電路，SRAM 的一個 bit 至少需要 6 個電晶體，因此它的密度始終無法提高。

而 DRAM 則是利用電容器裡面的電荷來儲存狀態，每一個 bit 由一個電容器來代表內容，電容器裡的電荷有無就代表那個 bit 的值。但由於半導體製程的限制，晶片上的電容器容量無法做太大，絕緣也無法做太好，因此裡面的電荷會隨著時間而漸漸流失。爲了對抗這種現象，DRAM 在使用時需要定期「刷新」（refresh），利用刷新電路根據電容器裡原來的電荷狀態去幫它補充電荷。不同晶片所需要的刷新速度不一樣，DRAM 製造商都會告訴你該如何使用它。由於 DRAM 在使用時需要一直刷新，就算沒在存取它時也一樣，因此被稱爲「動態」（dynamic）的隨機存取記憶體。

一般 DRAM 裡的電容器可以保存資料的時間大概在數十到一百 ms 左右，換句話說你必須在它裡面的電荷消失之前就 refresh 一次。這麼短的時間聽起來好像很瞎，它的記憶力也太短了，怎麼能稱得上是記憶體，但即使對於 80 年代平均 clock 速度在幾 MHz 的微處理器來說，就算是 50 ms 也相當於 50000 個 clock cycle，其實已經是很長很長的時間了。時隔多年，對於現在動輒上 GHz 的處理器速度來說，能儲存資料幾十個 ms 已經像是一輩子那麼長了，因此 DRAM 仍然有它的實用性。

DRAM 的結構

DRAM 最大的優點是它的密度。DRAM 裡的一個 bit 只需要一個電容器加上一個讀取及寫入用的電晶體。

DRAM 的 bit 結構 （圖片來源：Bird 提供）

要讀取或寫入 bit 時，就用 word line 打開電晶體，這時 bit line 就會透過導通的 MOSFET 跟電容器相連。如果是讀取，就用電壓感測電路感應 MOSFET 上的電壓，就可以知道電容裡有沒有電荷，決定 bit 的狀態；如果是寫入，就可以透過 MOSFET 對電容器充電或放電，改變電容器裡的電荷狀態。

只要把這個電路照著 word line 和 bit line 的方向延伸，就可以變成一個記憶體陣列。