闪存技术在3G时代的应用-盛世时代

来源：盛世时代 时间：2017-05-06
　　２００８年的到来，使人们对３Ｇ的应用更加期待。运营商、芯片厂商、终端制造商、内容提供商纷纷开始提供３Ｇ产品和解决方案，为用户带来了许多全新的体验。那么，闪存技术能为３Ｇ盛宴带来什么？
　　下一代手机将有更多功能服务的应用可使用户完成许多曾经难以想象的事情。只需一部手机，人们的购物、工作、居家生活将更便捷。这些功能在技术上的实现并不困难，但如果缺乏完善的安全保护系统，人们将无法信任设备的安全性和私密性。闪存技术带来的强大安全保障，将使面向未来的下一代手机功能得以更快地实现。
　　保护手机安全的闪存技术
　　如今，欧洲的消费者在某些超市购物时已经可以通过手机进行支付，甚至还可以通过停车管理系统支付停车费用。在日本，人们已经可以用手机支付公共交通及小额购物费用。这种移动支付（Ｍｏｂｉｌｅ　ｐａｙｍｅｎｔ）将使手机成为人们日常生活中的数字钱夹，进而成为电子商务及金融领域的一项重要应用。
　　闪存技术在移动支付过程中的安全保障起着至关重要的作用，支付协议在手机和销售设备之间完成。在通过闪存技术实现保护措施的手机中，账户及个人信息被保存在具有安全功能的闪存里，只有被授权方才可进入或操作。这样，消费者（手机用户）就可更为放心地享受移动支付所带来的便利。
　　手机钥匙（Ｍｏｂｉｌｅ　ｋｅｙ）是闪存安全技术所带来的另一个有趣应用，也是未来通过手机可能会实现的下一代全新生活方式。当人们租用公寓时，房东并不是亲自将钥匙递到租房人手中，而是通过文本消息将一把电子钥匙发送给租房人，并设置一定有效期。房屋到期则无法继续使用，同时，租房人不用寄还钥匙，房东也无需频繁换锁。如果期间手机丢失，可以通过新手机获得新的文本信息。钥匙可以加密，而且只能用特定的手机解密，这可以利用公匙密钥交换协议（ＰＫＩ）实现。闪存本身就能完成所有的加密和解密，不会增加系统的处理负担。
　　闪存带来的安全保障不仅为终端消费者带来美妙的体验，也为运营商和金融服务供应商带来了商机。通过寻求更强大的安全保护措施，运营商和服务提供商可以有效防止用户通过手机传输的保密信息遭受不断增加的病毒、恶意攻击以及欺诈的影响，不断建立用户对新型数据服务的忠诚度。另外，零售商、银行和交易服务机构能够借助闪存提供的安全保障提高交易量，加快交易速度，减少欺诈，从而会更容易地对这些新技术转换提供赞助和资金。
　　保护手机中个人、财务及公司信息免遭窃取的关键，在于确保除授权使用者外，其他任何人都不能获得这些信息。通过直接在内置闪存子系统中实施安全技术，手机制造商和服务提供商能为手机提供新一级的安全保护。这一安全技术的实施可使新的保护措施，如关机、锁定等得以实现：当手机被盗时，手机可以被永久地锁定。手机存储器安全也意味着一种自动恢复能力，当在线黑客、病毒和恶意软件进行攻击时，手机可从存储器中进行自动恢复，这种能力可使手机恢复到初始状态，从而在受到攻击前就对所有信息进行有效保护。
　　以纯闪存解决方案供应商Ｓｐａｎｓｉｏｎ为例，它已经推出了业内首个用于手机安全保护的闪存子系统，可使手机免于病毒、服务盗窃和恶意的攻击。采用Ｓｐａｎｓｉｏｎ　Ｓｅｃｕｒｅ的ＭｉｒｒｏｒＢｉｔ　ＭＣＰ能够作为可信执行环境（Ｔｒｕｓｔｅｄ　Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ），支持域分割，保证关键数据、代码和安全密钥永不泄露。该功能通过一些最强大的安全算法实现，包括高级加密标准（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　Ｓｔａｎｄａｒｄ，ＡＥＳ）——已被美国政府选为加密标准的块密码；安全散列算法（Ｓｅｃｕｒｅ　Ｈａｓｈ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，ＳＨＡ）——由国家安全局开发的密码散列功能，包括ＳＨＡ－１和ＳＨＡ－２；为公共密钥加密开发的ＲＳＡ算法；以及一种数字随机号码生成器。
　　通过将存储和安全功能放在同一个物理封装中，Ｓｐａｎｓｉｏｎ为用户访问闪存以及保存在闪存中的宝贵数据和内容提供了更强大的保护。受Ｓｐａｎｓｉｏｎ　Ｓｅｃｕｒｅ　技术保护的ＭｉｒｒｏｒＢｉｔ　解决方案能够保护存储器件的多个区域，例如为用户、运营商、内容版权对象和手机制造商设立相互隔离的、受保护的区域，最多可设立１６个这样的区域。该解决方案不依赖于操作系统和芯片，能帮助手机设计者缩短上市时间并降低开发成本。另外，它还支持服务器到存储器（ｓｅｒｖｅｒ－ｔｏ－ｍｅｍｏｒｙ）的直接认证以及与ＶＰＮ类似的安全通道通信，使企业能够远程管理重要数据分发，建立新的业务模式。
技术特点
　　NOR型与NAND型闪存的区别很大，打个比方说，NOR型闪存更像内存，有独立的地址线和数据线，但价格比较贵，容量比较小；而NAND型更像硬盘，地址线和数据线是共用的I/O线，类似硬盘的所有信息都通过一条硬盘线传送一般，而且NAND型与NOR型闪存相比，成本要低一些，而容量大得多。因此，NOR型闪存比较适合频繁随机读写的场合，通常用于存储程序代码并直接在闪存内运行，手机就是使用NOR型闪存的大户，所以手机的“内存”容量通常不大；NAND型闪存主要用来存储资料，我们常用的闪存产品，如闪存盘、数码存储卡都是用NAND型闪存。
单片机闪存
   这里我们还需要端正一个概念，那就是闪存的速度其实很有限，它本身操作速度、频率就比内存低得多，而且NAND型闪存类似硬盘的操作方式效率也比内存的直接访问方式慢得多。因此，不要以为闪存盘的性能瓶颈是在接口，甚至想当然地认为闪存盘采用USB2.0接口之后会获得巨大的性能提升。
 　　前面提到NAND型闪存的操作方式效率低，这和它的架构设计和接口设计有关，它操作起来确实挺像硬盘（其实NAND型闪存在设计之初确实考虑了与硬盘的兼容性），它的性能特点也很像硬盘：小数据块操作速度很慢，而大数据块速度就很快，这种差异远比其他存储介质大的多。这种性能特点非常值得我们留意。 　　闪存存取比较快速，无噪音，散热小。用户打算购置的话可以不考虑太多，同样存储空间买闪存。如果硬盘空间大就买硬盘，也可以满足用户应用的需求。
存储原理
　　要讲解闪存的存储原理，还是要从EPROM和EEPROM说起。
 　　EPROM是指其中的内容可以通过特殊手段擦去，然后重新写入。其基本单元电路（存储细胞）如下图所示，常采用浮空栅雪崩注入式MOS电路，简称为FAMOS。它与MOS电路相似，是在N型基片上生长出两个高浓度的P型区，通过欧姆接触分别引出源极S和漏极D。在源极和漏极之间有一个多晶硅栅极浮空在SiO2绝缘层中，与四周无直接电气联接。这种电路以浮空栅极是否带电来表示存1或者0，浮空栅极带电后（譬如负电荷），就在其下面，源极和漏极之间感应出正的导电沟道，使MOS管导通，即表示存入0。若浮空栅极不带电，则不形成导电沟道，MOS管不导通，即存入1。
    EEPROM基本存储单元电路的工作原理如下图所示。与EPROM相似，它是在EPROM基本单元电路的浮空栅的上面再生成一个浮空栅，前者称为第一级浮空栅，后者称为第二级浮空栅。可给第二级浮空栅引出一个电极，使第二级浮空栅极接某一电压VG。若VG为正电压，第一浮空栅极与漏极之间产生隧道效应，使电子注入第一浮空栅极，即编程写入。若使VG为负电压，强使第一级浮空栅极的电子散失，即擦除。擦除后可重新写入。
    闪存的基本单元电路，与EEPROM类似，也是由双层浮空栅MOS管组成。但是第一层栅介质很薄，作为隧道氧化层。写入方法与EEPROM相同，在第二级浮空栅加以正电压，使电子进入第一级浮空栅。读出方法与EPROM相同。擦除方法是在源极加正电压利用第一级浮空栅与源极之间的隧道效应，把注入至浮空栅的负电荷吸引到源极。由于利用源极加正电压擦除，因此各单元的源极联在一起，这样，快擦存储器不能按字节擦除，而是全片或分块擦除。 到后来，随着半导体技术的改进，闪存也实现了单晶体管（1T）的设计，主要就是在原有的晶体管上加入了浮动栅和选择栅，在源极和漏极之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动棚。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅。数据是0或1取决于在硅底板上形成的浮动栅中是否有电子。有电子为0，无电子为1。 　　闪存就如同其名字一样，写入前删除数据进行初始化。具体说就是从所有浮动栅中导出电子。即将有所数据归“1”。
　　写入时只有数据为0时才进行写入，数据为1时则什么也不做。写入0时，向栅电极和漏极施加高电压，增加在源极和漏极之间传导的电子能量。这样一来，电子就会突破氧化膜绝缘体，进入浮动栅。
 　　读取数据时，向栅电极施加一定的电压，电流大为1，电流小则定为0。浮动栅没有电子的状态（数据为1）下，在栅电极施加电压的状态时向漏极施加电压，源极和漏极之间由于大量电子的移动，就会产生电流。而在浮动栅有电子的状态（数据为0）下，沟道中传导的电子就会减少。因为施加在栅电极的电压被浮动栅电子吸收后，很难对沟道产生影响。内存和NOR型闪存的基本存储单元是bit，用户可以随机访问任何一个bit的信息。而NAND型闪存的基本存储单元是页（Page）（可以看到，NAND型闪存的页就类似硬盘的扇区，硬盘的一个扇区也为512字节）。每一页的有效容量是512字节的倍数。所谓的有效容量是指用于数据存储的部分，实际上还要加上16字节的校验信息，因此我们可以在闪存厂商的技术资  Sandisk料当中看到“（512+16）Byte”的表示方式。目前2Gb以下容量的NAND型闪存绝大多数是（512+16）字节的页面容量，2Gb以上容量的NAND型闪存则将页容量扩大到（2048+64）字节。
 　　NAND型闪存以块（sector）为单位进行擦除操作。闪存的写入操作必须在空白区域进行，如果目标区域已经有数据，必须先擦除后写入，因此擦除操作是闪存的基本操作。一般每个块包含32个512字节的页（page），容量16KB；而大容量闪存采用2KB页时，则每个块包含64个页，容量128KB。
 　　每颗NAND型闪存的I/O接口一般是8条，每条数据线每次传输（512+16）bit信息，8条就是（512+16）×8bit，也就是前面说的512字节。但较大容量的NAND型闪存也越来越多地采用16条I/O线的设计，如三星编号K9K1G16U0A的芯片就是64M×16bit的NAND型闪存，容量1Gb，基本数据单位是（256+8）×16bit，还是512字节。
    寻址时，NAND型闪存通过8条I/O接口数据线传输地址信息包，每包传送8位地址信息。由于闪存芯片容量比较大，一组8位地址只够寻址256个页，显然是不够的，因此通常一次地址传送需要分若干组，占用若干个时钟周期。NAND的地址信息包括列地址（页面中的起始操作地址）、块地址和相应的页面地址，传送时分别分组，至少需要三次，占用三个周期。随着容量的增大，地址信息会更多，需要占用更多的时钟周期传输，因此NAND型闪存的一个重要特点就是容量越大，寻址时间越长。而且，由于传送地址周期比其他存储介质长，因此NAND型闪存比其他存储介质更不适合大量的小容量读写请求。
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