【NOR Flash】关于芯片的高耐久性分区的编程/擦除周期和最小保留时间的数据

1、核心存储单元:浮栅晶体管

NOR Flash的基础是浮栅金属氧化物半导体场效应晶体管

结构与普通MOSFET类似,但在栅极(控制栅)和沟道之间,多了一个被绝缘层(二氧化硅)完全包围的浮置栅极

  • 浮栅 : 存储数据的关键。被高质量的绝缘体隔离,因此一旦电子被注入,在没有外部能量(如紫外线或高压电场)的情况下,可以 trapped(被困住)长达数年甚至数十年,从而实现数据非易失性存储。

  • 控制栅: 外部可以施加电压的栅极,用于控制晶体管的导通/关断,以及进行编程和擦除操作。

  • 绝缘层: 通常是二氧化硅,其质量直接影响数据的保持时间和耐久性。

2、扇区的编程/擦除(PE)耐久性和最小保留时间

S28HS512TGABHM013为例

  • 高耐久性分区是Infineon Endurance Flex架构的一部分,允许用户将部分存储区域配置为高耐久性区域,适用于频繁写入的应用场景。

  • 最小PE周期 指的是在该分区中,整个分区(而非单个扇区)所能承受的最小编程/擦除循环次数

  • 最小保留时间 是指在这些PE周期下,数据能够可靠保留的最小年限(均为2年)。

  • 表格中的数据适用于512Mb和1Gb的SEMPER™ Flash产品

  • 注意:表格下方有一行说明:

    "Minimum cycles is for entire High Endurance Partition."
    意思是"最小循环次数是针对整个高耐久性分区而言的",即这些PE周期是分区内所有扇区共享的总耐久性指标,通过磨损均衡(wear leveling) 机制在整个分区内均匀分配写操作。

  • 该表格提供了高耐久性分区中256KB扇区的耐久性数据 ,包括不同分区大小对应的最小PE周期最小数据保留时间,适用于系统设计中对存储耐久性有要求的应用场景(如日志存储、频繁更新数据等)。

3、为什么分区越大,承诺的PE周期反而越多

3.1 核心概念:分区是一个磨损均衡池

配置一个"高耐久性分区"时,比如包含256个扇区,这256个扇区会组成一个磨损均衡池。主机的写入/擦除操作会被设备的固件动态地映射到这256个物理扇区中的任意一个。这样,写操作被均匀地分摊到所有扇区上,避免了反复擦写同一个扇区导致其提前损坏。

3.2 "最小PE周期"的定义是关键

表格下方的注释明确指出:"Minimum cycles is for entire High Endurance Partition."(最小周期是针对整个高耐久性分区而言的)。

这意味着:

  • 对于512Mb设备默认的256个扇区分区 ,制造商保证:在整个分区的所有256个扇区上,累计可以安全地进行总计1,280,000次编程/擦除操作

  • 对于1Gb设备默认的512个扇区分区 ,则保证累计总共可以进行2,560,000次操作

4、扇区和分区的区别

1. 扇区 - 物理基础单元
  • 定义 :闪存阵列被硬件划分为一个个 "物理扇区"

  • 类型:该芯片支持两种大小的物理扇区:

    • 256 KB 扇区:主要存储单元。

    • 4 KB 扇区:通常用于存储需要频繁更新的小数据(如配置参数、日志),其耐久性(300,000次)比主阵列的256KB扇区更高(见第1页)。

  • 作用擦除操作必须以扇区为单位进行。编程(写0)可以在更小的字节或字上进行,但要把0变回1,必须擦除整个扇区。

2. 分区 - 逻辑管理集合
  • 定义分区是用户通过配置寄存器,将一组连续的物理扇区归类,并赋予其特定管理策略的逻辑集合。

  • 关键特性

    • 可配置性 :用户可以通过 Endurance Flex 架构寄存器(第34-37页,第116-119页)来定义分区的大小和类型。例如,你可以指定从扇区0到扇区199这200个扇区为"分区A"。

    • 管理策略:每个分区被配置为不同的类型,享有不同的固件管理算法:

      • 高耐久性分区 :在这个分区内的所有扇区上启用磨损均衡 。控制器会动态地将主机逻辑地址映射到分区内不同的物理扇区,让擦写次数平均分布,从而提升整个分区的总写入寿命(即Table 4的内容)。

      • 长保留分区 :这个分区内的扇区可能采用更保守的编程/擦除算法,或者优先用于存储不常更改的数据,以保证数据能保存25年(见表5),但可能不以最大化耐久性为目标。

    • 4KB扇区的特殊性 :文档明确指出(第34页)"4KB sectors are not part of the Endurance Flex architecture." 这意味着4KB小扇区不能加入高耐久或长保留分区,它们有自己独立的耐久性规格。

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