NAND、NOR和F-RAM的理想工作负载

过去，内存的进步主要通过密度或每比特成本的提高来衡量。但是，随着对非易失性存储器的性能要求的发展，用于选择它们的标准也发生了变化。工厂自动化、自动驾驶汽车、便携式医疗设备、边缘计算和物联网传感器等应用需要专门针对其独特要求而构建的存储器. 数据中心、计算机和消费设备中的大容量存储需要最高的密度和最低的每比特成本，通常由 NAND 闪存支持。嵌入式计算机通常在 NOR Flash 中存储引导代码和事务数据。数据记录器、传感器和边缘计算机在很长一段时间内捕获快速变化的数据，使用专门的技术，例如铁电 RAM (F-RAM)。将内存与工作负载相匹配可提供最佳性能和可靠性，并且这些解决方案中的每一个都会权衡某些特性以最适合目标应用程序。

几十年来，NAND 闪存一直以不断提高的每 GB 成本和足够的读/写性能服务于消费市场。基于 NAND 的固态硬盘 (SSD) 也广泛部署在数据中心和云服务器中。通过工艺改进和几何尺寸缩小实现了更高的密度，但这需要权衡取舍。在非常小的 NAND 闪存单元中，每个编程/擦除 (P/E) 周期都会对单元施加压力，这会转化为较低的耐用性，即使在过度配置和磨损均衡的情况下也是如此。由于较小的几何形状，数据保留时间也相对较低（大约 10 年）。

与 NAND 相比，NOR 闪存已针对可靠性和易用性进行了优化。NOR Flash使用相对较大的存储单元，可提供高耐用性和较长的数据保留时间。结合字节可寻址架构，NOR 闪存非常适合用于启动代码（包括就地执行系统）和事务数据。为了应对对故障安全操作的日益关注，最新产品还提供功能安全和安全启动机制。NOR Flash 还支持非常快的读取性能，可为汽车仪表盘和其他应用提供即时显示。然而，这种高可靠性和改进的性能需要权衡取舍，因为 NOR 闪存密度低于 NAND 闪存（请参阅用于汽车和功能安全的 NOR 闪存）。

F-RAM 非常适合长时间连续捕获数据的设备（请参阅超低能耗 F-RAM）。与依靠存储电荷来表示二进制数据的 NAND 和 NOR 存储器不同，F-RAM 存储单元在由锆钛酸铅铁电薄膜（通常称为 PZT）制成的晶格内切换极性。切换需要极低的能量，从而实现非常长的电池寿命，并且不会磨损，提供几乎无限的耐用性（请参阅使用低功耗 F-RAM 进行设计））。也没有电荷泄漏，因此数据保留时间非常长——大约 100 年。一个常见的误解是 F-RAM 会受到磁场的干扰。这不是真的。虽然非常适合数据记录，但 F-RAM 的密度通常不能满足代码和大容量存储的需求。

表 1：性能特征、理想工作负载和目标应用程序（来源：赛普拉斯）

 

表现 特征	理想 的工作量	目标 应用
NAND闪存	高密度/低成本 ✓ 低耐力 ✓ 中等数据保留期（约 10 年）	通用大容量存储	✓ 用于数据中心和消费设备的 SSD
NOR闪存	✓ 中等密度 ✓ 高耐力 ✓ 高数据保留期（约 20 年）	引导代码和事务数据	✓ 汽车系统 ✓ 工业 4.0 ✓ 工业物联网
内存	✓ 中等密度 ✓ 几乎无限的耐力 ✓ 非常高的数据保留期（约 100 年） ✓ 非常低的能量	高频数据记录	✓ 工业传感 ✓ 便携式医疗

 

值得注意的是，工程师正在从并行接口迁移到串行接口以进行新系统设计。串行接口减少了内存和 SoC 的引脚数，缩小了 PCB 以降低成本并缩小外形尺寸。Octal SPI、Quad SPI、SPI 和 HyperBus 现在提供可与并行接口相媲美的性能，其中 Octal SPI 和 HyperBus 的速度高达 400 MBytes/sec。

选择正确的内存最终有助于确保您的产品取得成功。NAND 闪存是云计算和个人电子产品中常见的大容量存储工作负载的理想选择。相比之下，NOR Flash 和 F-RAM 适用于嵌入式系统和边缘设备，这些设备通常位于极端和偏远的环境中。随着边缘计算的发展，人工智能的进步正在推动新功能的发展，从而提高了故障安全操作的标准，推动制造商提供具有安全和安全特性的 NOR 闪存和 F-RAM。

　　审核编辑：汤梓红