NAND 型與 NOR 型快閃記憶體的差異:速度、容量、用途比較

兩者都是斷電後資料仍會保留的快閃記憶體,但單元的連接方式不同。NOR 型將單元並聯,因此隨機讀取快,可以直接就地執行程式,但每位元的成本較高。NAND 型將單元串聯,可以在相同面積內塞入大量位元,價格便宜,但讀寫以頁為單位,也需要錯誤更正。因此,資料儲存使用 NAND 型,韌體儲存則使用 NOR 型。

項目NAND 型NOR 型
單元的連接將單元串聯成字串,兩端有選擇電晶體將單元並聯到位元線,因此可以直接存取每一個單元
讀取以頁為單位(每次數 KB)讀取。第一次存取需要數十微秒,隨機讀取較慢可以位元組或字為單位進行高速隨機存取(約數十奈秒)
寫入(程式化)以頁為單位寫入。連續寫入的傳輸量高以小單位寫入。大量資料時較慢
抹除單位區塊(數 MB 以上)區段(一般為 64~128 KB)
寫入機制寫入與抹除都是富爾-諾德海姆(FN)穿隧現象寫入為通道熱電子注入,抹除為穿隧現象
容量與成本高密度且便宜。3D NAND 堆疊數百層,TLC、QLC 則在 1 個單元中記憶 3~4 位元低密度(多半每顆晶片最多數 Gbit),每位元的成本高
就地執行(XIP)無法。必須先複製到 RAM可以。處理器可以直接從晶片執行程式
可靠度以存在壞區塊與位元錯誤為前提,因此需要強力的 ECC、壞區塊管理與損耗平均位元錯誤少,輕量的錯誤更正即可
抹寫壽命SLC 約 10 萬次,到 QLC 約在 1,000 次以下一般約 10 萬次
主要用途SSD、USB 隨身碟、記憶卡、智慧型手機的儲存裝置(eMMC、UFS)開機程式碼與韌體。BIOS/UEFI、微控制器的程式碼、車用與工業設備

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

NAND 型
想要便宜又大容量的非揮發性儲存裝置,且以頁為單位讀寫即可時。例如 SSD、智慧型手機、相機、記憶卡等。
NOR 型
想要可靠地儲存供處理器直接讀取的程式碼,且容量小也無妨時。例如開機用 ROM、韌體、小型嵌入式設備等。
搭配使用
也有許多設備兩者並用。將開機程式碼放在小容量的 NOR 型中,再由此載入存放於大容量 NAND 型的作業系統。

常見問題

為什麼 NAND 型比 NOR 型便宜?

NAND 型的單元串聯成字串並共用接點,因此每位元的面積小得多。再搭配 3D 堆疊與多值單元,可達到高密度與低每位元成本。NOR 型的單元為並聯,佔用較多面積。

處理器可以直接從 NAND 型執行程式碼嗎?

無法直接執行。NAND 型以頁為單位讀取,也會有位元錯誤,因此程式碼通常要先複製到 RAM。NOR 型支援就地執行(XIP),所以用於儲存開機程式碼與韌體。

SSD 與智慧型手機使用哪一種快閃記憶體?

NAND 型。SSD、USB 隨身碟、記憶卡、智慧型手機的儲存裝置(eMMC 與 UFS)因為成本低且容量大,全都使用 NAND 型。

NAND 型比 NOR 型更容易劣化嗎?

一般而言是的。NAND 型的抹寫壽命範圍很廣,SLC 約 10 萬次,QLC 約 1,000 次,而 NOR 型一般約 10 萬次。NAND 型的控制器會以損耗平均與錯誤更正來延長壽命。

理解度檢測

與 NOR 型相比,NAND 型快閃記憶體的特徵,下列何者正確?

  1. A隨機存取快,適合直接執行程式碼
  2. B記憶單元串聯連接,容易高密度化,適合大容量儲存
  3. C是斷電後資料就會消失的揮發性記憶體
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正確答案:B. 記憶單元串聯連接,容易高密度化,適合大容量儲存

NAND 型將數十個記憶單元串聯,省去每個單元的接點,因此每位元面積小,適合大容量化,用於 SSD 與記憶卡。相對地,讀取要經過串聯的單元,速度較慢,且以頁為單位存取。NOR 型的各單元並聯至位元線,隨機讀取快,適合直接執行程式碼。兩者都是非揮發性。

NOR 型快閃記憶體的代表性用途為何?

  1. A儲存大容量的影片與照片
  2. B個人電腦的主記憶體
  3. C儲存裝置的程式碼(開機程式等)
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正確答案:C. 儲存裝置的程式碼(開機程式等)

NOR 型的各單元並聯至位元線,隨機存取快,因此 CPU 可以直接從記憶體讀取並執行程式(XIP:Execute In Place)。所以用於裝置的開機程式、微控制器的韌體、車用設備的控制程式碼。容量小,僅數 Mbit~數 Gbit,每位元單價也比 NAND 高,因此大容量資料儲存使用 NAND 型。

NAND 型快閃記憶體抹除資料的單位,下列何者正確?

  1. A位元單位
  2. B區塊單位
  3. C位元組單位
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正確答案:B. 區塊單位

NAND 的讀取、寫入以頁(約 16 KB)為單位,但抹除只能以集合數百頁的區塊(數 MB~數十 MB)為單位進行。抹除是對整個井施加高電壓,一次性拔出電子,因此是這個單位。即使只想改寫一部分也無法覆寫,而是把新資料寫到空白頁、將舊頁設為無效,之後再以垃圾回收統一抹除。

  1. NAND 型快閃記憶體寫入(程式化)時,主要使用的電子注入方式為何?
  2. 關於 3D NAND 型快閃記憶體的說明,下列何者正確?
  3. NAND 快閃記憶體的控制器為了因應多值化所造成的讀取錯誤增加,使用的技術為何?

前往SRAM與快閃記憶體的練習題

相關名詞的解說

NAND 型快閃記憶體
記憶單元以串聯方式連接的非揮發性記憶體。容易高密度、大容量化,用於 SSD 與記憶卡。
NOR 型快閃記憶體
單元以並聯方式連接的快閃記憶體。隨機讀取速度快,用於儲存微控制器的程式等。
3D NAND
將 NAND 快閃記憶體的記憶單元在垂直方向堆疊許多層以達成大容量。為突破平面微縮的極限而導入,堆疊層數已達 200 層以上。
非揮發性記憶體
關閉電源後所記憶的資料也不會消失的記憶體。例如快閃記憶體與 MRAM 等。DRAM 與 SRAM 則是揮發性。

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