[综合][转载] U盘以及SD卡 MLC以及SLC  白片 黑片 平衡磨损 知识 [复制链接]

U盘全称为：USBDisk。

U盘起源:上世纪90年代,Intel主板芯片组对USB支持不断加强，很多外部设备开始采用USB接口。如Keyboard,mouse等。2000年之前，新加坡Trek公司开始生产和销售以USB为接口的存储设备。但随着2002年，2004年，中国的深圳郎科公司分别在中国和美国获得“用于数据处理系统的快闪电子式外存储方法及装置”全球基础性发明专利。从法律上讲，U盘的发明权属于中国郎科。其创始人邓国顺也被誉为U盘之父。


本人注解：本人也是因为这个原因，购买了第一个u盘，朗科的，现在还能使用。


2002年后，因为 U盘的大规模应用，所以带动了Nand Flash的规模效应。进一步导致NandFlash成本直线下降。大量中国制造业公司进入U盘行业。中国成为全世界最大的U盘生产国和消费国。

因为山寨化的需求，U盘的生产被分为3个部分：标准化的PCBA板、外壳、存储器件。

U盘组成十分简单，由U盘控制器芯片，存储器（NandFlash），一颗12MHz晶振，若干阻容器件组成。其中NandFlash为100%的进口器件，主控制器芯片本土有3-4家公司，台湾有7-8家公司。

一：存储器（Nand Flash）
受限于芯片设计能力和芯片生产制造工艺的要求，本土无一家芯片设计公司可以涉足NandFlash芯片设计。市场上Nand Flash追踪溯源无外乎是三星（Sumsung），美光（Micron），现代（Hynix），东芝（Toshiba），Intel，瑞萨（Renesas）等几家品牌。

因为U盘的成本主要在存储器上。所以U盘的文章也主要是在这里来做。但如果存储Nand Flash只有原厂出品的原装正品芯片，那还有什么文章可做呢？下面就是左强同学介绍的NandFlash中的秘密。



和所有芯片一样，上图为一片载有Nand Flash晶圆的wafer,Wafer分为6，8，12英寸不等。wafer上每个小块，就是一个芯片晶原体，学名Die,封装后成为一个芯片。wafer首先经过切割，然后测试，将完好的、稳定的、足容量的晶圆取下，封装形成日常所见的Nand Flash芯片。

在wafer上剩余的，要么不稳定，要么部分损坏不足容量，要么完全损坏。原厂考虑到质量保证，宣布死亡，严格定义为废品全部报废处理。


对于那些原厂已经宣判死亡的坏Flash，由主控芯片设计公司发起的一轮技术探索，经过一代一代的完善，最终成功的将部分坏Flash起死回生，从此这部分Flash有了一个新的名字，Down GradFlash，意思为低等级的或降级的Flash，俗称黑片。
对于零成本的废品，通过针对性的技术手段，筛选出能够使用的部分，分流成各种降级容量的Nand Flash，宣告了一个巨大的灰色利益的诞生，并迅速扩大。Down GradeFlash晶圆的wafer以吨的形式在香港集结后进入深圳，“废品”经过系统的测试、筛选、封装后分销或直接用于产品。
黑片有专业的严格的测试体系，即使用带有U盘控制器芯片的测试架，对晶圆或封装后黑片进行系统检测，依据具体的能够读出的真实容量进行分类，以该容量重新进行标识。例如：原来容量为2G的Down GradeFlash，如果是存在坏块而容量不足的，根据识别出的容量分流，降级为1G，512M，128M或更小容量。黑片的测试如今已经形成了标准化规范，黑片进行多个方面的测试，以尽可能保证黑片的可用性，同时可以利用测试强度参数控制黑片的稳定性。黑片的测试已经形成一个专门的产业，专业的测试工厂拥有成百甚至上千的测试架，每片测试费用约为0.15-0.2元，需要的设备仅为电脑、测试架和工人。

仍然是受巨大的灰色利益驱使下，相对黑片和原装片，又出现了后来的白片。白片为完好的足容量Flash晶圆，被原厂某些人为的操作成为报废品。流入市场后，封装片上无任何标识，但是质量和容量没有任何问题。Flash贸易商利用激光镭雕可以随意打印任何品牌的芯片标识。

U盘真正的文章，就是在这里做的。


二：U盘控制器芯片
U盘的主控市场已经拥挤不勘，针对本土市场，衡量一颗U盘控制器芯片好坏已经远非价格和性能，而是尖锐到：对于黑片的兼容性、稳定性、容量识别率、量产速度、读写速度当然还有价格。其中优先考虑的是：黑片识别率、识别稳定性、识别容量大小和量产速度。相对Nand Flash，控制器的价格便显得微不足道，2008年，U盘控制器市场的价格在2.5-3元左右，而2009年在1.8-2.5元左右。
与Nand Flash 价格相比相差极大。（以1G Byte的NandFlash为例，2007年最高价格为100元以上，2008年5月十几元）
当前U盘主控主要分为两类：一类主要为台湾公司芯片，针对国际U盘大品牌，只支持原装正片Nand Flash，坚决不支持黑片，以此树立行业信誉，以获得U盘大品牌的订单，例如：Kingston的U盘只选用台湾的擎泰Skymedi和群联Phison的主控。另外一类经受不起巨大黑片市场的诱惑，纷纷出招解读黑片，台湾的有安国Alcor，鑫创3S，慧荣SMI，联盛USbest，中颖等，中国本土的有深圳芯邦Chipsbank，超科微MX（实为四川登巅），苏州国芯等。
还有一些人们视线以外的公司，多数也为芯邦体系的技术人员，即使仅有5、6个人，也号称芯片设计公司，将山寨化扩展到芯片设计



在使用U盘作为主存储设备后，发生了非常多异常问题。所有公司有同事建议使用SD卡，TF卡等。Sam又看了看SD卡的知识。

SD（Secure Digital MemoryCard）卡与U盘生在同年，也是一种基于半导体快闪记忆器（Nand Flash）的记忆设备，只是接口不同，为9 Pin接口。
SD卡家族有三个兄弟，他们除了外表尺寸不同外，实质上完全一样。普通SD卡标准为24mm×32mm×2.1mm，MiNi SD卡标准为20mmX21.5mmX1.4mm，MicroSD卡（T-Flash卡）标准为15mmx 11mmx1mm




从技术层面看，SD卡、MiNi SD卡和Micro SD卡的构成是完全一样的，主控制器芯片往往共用同一颗，只是外形物理尺寸不同而已。MiNi和Micro通过转接卡套可以直接当普通SD卡使用，转接卡套只是单纯物理连接线上的转换；从封装技术上看，SD卡最为简单，内部采用封装后的标准芯片贴片生产，然后使用超声波塑封外壳，而Micro SD卡受限于体积，内部主控和Nand Flash均采用晶圆体绑定后直接封装成卡，因此加工难度较大，大部分都在台湾封装生产，国内工厂一般都不具备这样的能力；从市场容量看，Micro SD卡的市场容量要远远大于SD卡，因为其直接和手机量绑定。

SD卡系的组成结构比U盘还要简单：主要由主控制器芯片，存储器件Nand Flash，几乎没有额外阻容器件。由于SD卡接口传输线中含有时钟信号，因此无需额外晶振器件。SD卡系量大，利薄，SD卡系兼容性存在技术难度，本土仅有芯邦一家涉足，其余均为台湾公司，有7-8家。至于SD卡系每个月的销量，没有精确的数字，至少是U盘的2-3倍以上。


NAND闪存的三种架构：MLC、SLC、MBC：
SLC：(Single LevelCell——SLC)即单层式储存
MLC：（Multi LevelCell——MLC)即多层式储存
MBC：（Multi Bit Cell）。多位单元（还不成熟）


储单元分为两类：SLC（Single Level Cell 单层单元）和MLC（Multi-LevelCell多层单元）。

SLC的特点是成本高、容量小、速度快，而MLC的特点是容量大成本低，但是速度慢。英特尔（Intel）在1997年9月最先开发成功MLC。其作用是将两个单位的信息存入一个FloatingGate（闪存存储单元中存放电荷的部分），然后利用不同电位（Level）的电荷，通过内存储存的电压控制精准读写。MLC通过使用大量的电压等级，每一个单元储存两位数据，数据密度比较大。SLC架构是0和1两个值，而MLC架构可以一次储存4个以上的值，因此，MLC架构可以有比较好的储存密度。

SLC Flash的优点是复写次数高达100000次，比MLCFlash高10倍。为了保证MLC的寿命，控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法，使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊，达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。





以SLC为例：


大部分NAND闪存的每一page是4KB。一个block是由许多page组成的，一个block包含128 pages（128 pages x 4KB/page = 512KB/block = 0.5MB。Block是您可以擦除得最小结构。
即：以页为单位进行读写操作，1页为256B或512B；以块为单位进行擦除操作。但注意，任何写入动作必须在已擦除的单元上进行（当年Sam写NandFlash 简单驱动时就记得，写前必须Erase）. 所以就算要写入1个字节，则必须先擦除512K,然后作修改后再写回去。
所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。呵呵，Sam又想起以前的ECC检测了.




无论何时您将数据写入闪存，我们都会反复经历同样的编程过程。创建一个电场，电子穿过氧化物并储存电荷。擦除数据会导致同样的事情发生，但却向着相反的方向。问题是电子穿过氧化物的次数越多，就会变的越弱，最终将电压也不能再阻止电子的自由活动了

您可以从一个单元里读取数据，多少次都行，这并不减少单元存储数据的能力。只有擦除/编程周期才会降低了寿命。


SLC的写入和Erase:


控制栅极连接门极。通过高低电平来控制浮置栅极中是否有电子。浮置栅极中是否有电子，则代表了0和1。



在写入新数据之前，必须先将原来的数据擦除，这点跟硬盘不同，也就是将浮栅的电荷放掉，向浮栅中注入电荷表示写入了'0'，没有注入电荷表示'1'。Sam认为这个特性决定了写入前必须先Erase.否则要写入1，就不需要注入电荷。但如果浮栅中本来就有电荷。那不是表示1 么？

对于浮栅中有电荷的单元来说，由于浮栅的感应作用，在源极和漏极之间将形成带正电的空间电荷区，这时无论控制极上有没有施加偏置电压，晶体管都将处于导通状态。而对于浮栅中没有电荷的晶体管来说只有当控制极上施加有适当的偏置电压，在硅基层上感应出电荷，源极和漏极才能导通，也就是说在没有给控制极施加偏置电压时，晶体管是截止的。

如果晶体管的源极接地而漏极接位线，在无偏置电压的情况下，检测晶体管的导通状态就可以获得存储单元中的数据，如果位线上的电平为低，说明晶体管处于导通状态，读取的数据为0，如果位线上为高电平，则说明晶体管处于截止状态，读取的数据为1。由于控制栅极在读取数据的过程中施加的电压较小或根本不施加电压，不足以改变浮置栅极中原有的电荷量，所以读取操作不会改变FLASH中原有的数据。

在不断的Erase和写入过程中，电子不断穿过绝缘体，其电性就越弱。最后电场无法对其起作用，这个bit就坏掉了。也有文档说，是因为绝缘体被不断穿越后性能下降。

其电子特性决定了它只能区域删除，而不能单子节删除。


四种不同类型干扰： DC Erase， DC Program,Program Disturb, Read Disturb.

DC Erase：
这种状况发生在：它发生在已被编程单元。当与其它正在编程单元在同一条线时，浮栅中的电子可能会逃逸到控制门区。

DC Program:
发生在未被编程或已被擦除单元。当其与正在编程单元在同一字线时，可能导致电子进入浮栅区。导致阀值电压减小。

Program Disturb:
发生在已被编程单元。当其与正在编程单元在同一字线时，可能导致电子从浮栅区泄露到漏极区。导致阀值电压减小。

Read Disturb:
发生在已被擦除单元，当其与被读单元在同一字线时。

但这些问题，都可以在ECC检测时处理。（一个块只有1个bit出错时，ECC可以找到是哪个块）




常用的U盘检测工具：
1.芯片精灵：ChipGenius
可以查询到U盘主控芯片。
而读出U盘主控芯片，是查询U盘真伪以及选用何种量产工具第一步。


2.U盘检测工具：FlashTester
可以支持fat32,ext3等文件系统。利

请登录后查看

请登录后查看

请登录后查看

请登录后查看

请登录后查看

请登录后查看

请登录后查看