快闪记忆体的物理特性与常见的记忆体有根本性的差异

快闪记忆体则是一种非易失性（ Non-Volatile ）记忆体，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬碟，这项特性正是快闪记忆体得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

NOR和NAND是市场上两种主要的非易失快闪记忆体技术。

在1984年，东芝公司的发明人舛冈富士雄提出了快速快闪记忆体存储器（此处简称快闪记忆体）的概念。与传统电脑记忆体不同，快闪记忆体的特点是NVM，其记录速度也非常快。

Intel是世界上第一个生产快闪记忆体并将其投放市场的公司。1988年，公司推出了一款256K bit快闪记忆体晶片。它如同鞋盒一样大小，并被内嵌于一个录音机里。后来，Intel发明的这类快闪记忆体被统称为NOR快闪记忆体。它结合EPROM和EEPROM两项技术，并拥有一个SRAM接口。

第二种快闪记忆体称为NAND快闪记忆体。它由日立公司于1989年研製，并被认为是NOR快闪记忆体的理想替代者。NAND快闪记忆体的写周期比NOR快闪记忆体短90%，它的保存与删除处理的速度也相对较快。NAND的存储单元只有NOR的一半，在更小的存储空间中NAND获得了更好的性能。鑒于NAND出色的表现，它常常被套用于诸如CompactFlash、SmartMedia、 SD、 MMC、 xD、 and PC cards、USB sticks等存储卡上。

NAND 快闪记忆体的存储单元採用串列结构，存储单元的读写是以页和块为单位来进行（一页包含若干位元组，若干页则组成储存块， NAND 的存储块大小为 8 到 32KB ），这种结构最大的优点在于容量可以做得很大，超过 512MB 容量的 NAND 产品相当普遍， NAND 快闪记忆体的成本较低，有利于大规模普及。

NAND 快闪记忆体的缺点在于读速度较慢，它的 I/O 连线埠只有 8 个，比 NOR 要少多了。这区区 8 个 I/O 连线埠只能以信号轮流传送的方式完成数据的传送，速度要比 NOR 快闪记忆体的并行传输模式慢得多。再加上 NAND 快闪记忆体的逻辑为电子盘模组结构，内部不存在专门的存储控制器，一旦出现数据坏块将无法修，可靠性较 NOR 快闪记忆体要差。

NAND 快闪记忆体被广泛用于移动存储、MP3 播放器、数位相机、 掌上电脑等新兴数字设备中。由于受到数码设备强劲发展的带动， NAND 快闪记忆体一直呈现指数级的超高速增长。

“flash存储器”经常可以与“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND快闪记忆体技术相对于NOR技术的优越之处,因为大多数情况下快闪记忆体只是用来存储少量的代码,这时NOR快闪记忆体更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。

NOR的特点是晶片内执行(XIP, eXecute In Place),这样应用程式可以直接在flash快闪记忆体内运行,不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益,很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。

NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度,并且写入和擦除的速度也很快。套用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。

flash快闪记忆体是非易失存储器,可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行,所以大多数情况下,在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的,而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的,执行一个写入/擦除操作的时间为5s,与此相反,擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的,执行相同的操作最多只需要4ms。

执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距,统计表明,对于给定的一套写入操作(尤其是更新小档案时),更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样,当选择存储解决方案时,设计师必须权衡以下的各项因素。

● NOR的读速度比NAND稍快一些。

● NAND的写入速度比NOR快很多。

● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。

● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。

● NAND的擦除单元更小,相应的擦除电路更少。

採用flash介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说,Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。

在NAND快闪记忆体中每个块的最大擦写次数是一百万次,而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势,典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍,每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。

可以非常直接地使用基于NOR的快闪记忆体,可以像其他存储器那样连线,并可以在上面直接运行代码。

由于需要I/O接口,NAND要複杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。

在使用NAND器件时,必须先写入驱动程式,才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧,因为设计师绝不能向坏块写入,这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。

驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND快闪记忆体的管理,包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

Flash是非挥发性随机存取存储器（NVRAM），它可以作为快取或作为直接存储的底层设备。虽然比动态随机存储器（DRAM）慢10倍，但儘管这样，它还比硬碟快得多。它的速度和耐用性，让写操作变得比直接写硬碟快很多。将FLASH作为一个持续的高速快取，再让它慢慢的写回磁碟作永久数据保存。

高速快取可以分布在整个集群，从而对多种类型的作业系统提供快可靠的高速快取副本。这种高速快取副本由由Flash快闪记忆体或者记忆体组成，将共享整个群集的快取。

NOR flash带有SRAM接口,有足够的地址引脚来定址,可以很容易地存取其内部的每一个位元组。

NAND器件使用複杂的I/O口来串列地存取数据,各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。

NAND读和写操作採用512位元组的块,这一点有点像硬碟管理此类操作,很自然地,基于NAND的存储器就可以取代硬碟或其他块设备。

NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半,由于生产过程更为简单,NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。

NOR flash占据了容量为1～16MB快闪记忆体市场的大部分,而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中,这也说明NOR主要套用在代码存储介质中,NAND适合于数据存储,NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。

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。

比特反转测试图片

一位的变化可能不很明显,如果发生在一个关键档案上,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。

,如果这个位真的改变了,就必须採用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND快闪记忆体,NAND的供应商建议使用NAND快闪记忆体的时候,使用EDC/ECC算法。

这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。,如果用本地存储设备来存储作业系统、配置档案或其他敏感信息时,必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。

NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力,但发现成品率太低,代价太高,根本不划算。

NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块,并将坏块标记为不可用。在已製成的器件中,如果通过可靠的方法不能进行这项处理,将导致高故障率。

当讨论软体支持的时候,应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁碟仿真和快闪记忆体管理算法的软体,包括性能最佳化。

在NOR器件上运行代码不需要任何的软体支持,在NAND器件上进行同样操作时,通常需要驱动程式,也就是记忆体技术驱动程式(MTD),NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。

使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些,许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软体,这其中包括M-System的TrueFFS驱动,该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所採用。

基于FLASH快闪记忆体的存储能够解决很多性能问题，尤其是由虚拟伺服器环境所导致的问题。但FLASH快闪记忆体仍有很多神秘之处它们可信吗？哪种类型的FLASH快闪记忆体最适合虚拟环境？
FLASH快闪记忆体是一种记忆体技术，与RAM不同，在断电时它仍旧可以保留所存储的信息。儘管FLASH快闪记忆体在执行读写操作时并不像RAM那样快，但性能远远高于典型的硬碟。更为重要的是，FLASH快闪记忆体访问数据时几乎不存在任何时间延迟。FLASH快闪记忆体技术非常适合随机I/O，而虚拟伺服器环境中恰恰存在大量的随机I/O。
对FLASH快闪记忆体主要的关注点之一是其执行写操作的方式。FLASH快闪记忆体可以执行的写操作次数有限，这意味着FLASH快闪记忆体厂商需要开发複杂的控制器技术，对写入FLASH快闪记忆体模组的方式进行管理，确保每个FLASH快闪记忆体单元接收相同的写请求。
目前有三种类型的FLASH快闪记忆体，耐久性各不相同。单阶存储单元（SLC）FLASH快闪记忆体在每个单元写一位数据，耐久性最好。多阶存储单元（MLC）FLASH快闪记忆体在每个单元写多位数据，耐久性排名第二。三阶存储单元（TLC）在每个单元写三位数据，耐久性最差。每个单元写入的数据位越多意味着每个单元的容量越高，每GB的成本越低，同样意味着平均寿命更短。
SLC是数据中心标準，但控制器技术的不断最佳化使得MLC被大多数用例所接受。尤其是在採用了某种方式的数据保护，比如镜像或者RAID或者使用了FLASH快闪记忆体层时。

就在虚拟环境中使用FLASH快闪记忆体而言，通常有三种规格可供选择。
最常见的是固态硬碟，其与硬碟的规格相同。这类FLASH快闪记忆体可以很容易地安装在伺服器内部或者存储阵列内部，直接使用HDD的驱动器插槽即可。
SSD的不足之处在于性能、密度。在SSD中放置FLASH快闪记忆体意味着所有的存储I/O都是通过SCSI堆叠处理的。与其他方式相比，会增加一些延迟。儘管如此，这些系统，尤其是阵列，仍旧可以交付成千上万个IOPS，很少会受到需要使用SCSI协定的SSD的影响。密度同样受到了忽视，快闪记忆体SSD厂商已经採用了独特的方式在硬碟中塞入儘可能多的FLASH快闪记忆体，与同等的HDD相比，SSD通常提供了更大的存储容量。
就某些环境而言，SCSI所增加的延迟存在问题，儘管通常我们所指的并不是虚拟环境。当延迟是一个关注点时，可以选择PCIe SSD，将快闪记忆体设备集成到PCIe板卡上。这通常避免了标準的存储协定堆叠而且能够在本地访问CPU。但用于三大最为流行的虚拟环境的驱动器都是很普通的。
PCIe应该被虚拟环境视为RAM记忆体的一个扩展。因为PCIe具备低延迟特性，能够提供性能非常高的虚拟记忆体池，这样一来动态RAM用于存储换出的页面几乎对性能没有任何影响。
另一种正在变得流行的FLASH快闪记忆体是记忆体汇流排FLASH快闪记忆体。FLASH记忆体汇流排FLASH快闪记忆体安装在伺服器FLASH记忆体插槽中而不是PCIe汇流排中。FLASH记忆体汇流排FLASH快闪记忆体看起来像是DRAM双排直插记忆体模组，但实际上包含的是FLASH快闪记忆体。这种实现方式的延迟甚至比PCIe SSD还要低而且在访问CPU时提供了私有、高性能路径。FLASH记忆体汇流排FLASH快闪记忆体在虚拟环境中套用有限，但将FLASH记忆体汇流排FLASH快闪记忆体用作虚拟交换FLASH记忆体大有裨益，当难于使用PCIe插槽时，FLASH记忆体汇流排快闪记忆体同样是刀片、1U以及2U伺服器的理想选择。

FLASH快闪记忆体的损耗在VMware以及Hyper-V环境中备受关怀，类似于快取和数据去重这样的技术将会对其持久性造成负面影响。

FLASH快闪记忆体被认为是大有前途的技术，很多人认为他们可以在伺服器中部署快闪记忆体充当快取的角色。但殊不知FLASH快闪记忆体适合读，而并不适合写。你需要十分注意FLASH快闪记忆体的耗损，并充分利用其有限的寿命。

FLASH快闪记忆体厂商会使用DRAM，这种介质抗耗损能力比较好。他们将所有的写操作都聚集于DRAM快取，从而减少对快闪记忆体快取的大量写操作。这保留了快闪记忆体的完整性并有效防止了快闪记忆体的耗损。

Hyper-V则体现出略微不同的FLASH快闪记忆体耗损问题。它在存储中套用数据去重，而对源档案执行写。原数据以很多小的写操作写入快取，当Hyper-V在运行去重算法时，这些写操作又会二次破坏快取。