1. 闪存的定义
闪存（Flash Memory）是一种非易失性存储器（Non-Volatile Memory, NVM），即使断电后数据仍然可以保持。它基于电子存储，能够快速擦除和重写数据，因此广泛应用于固态硬盘（SSD）、U 盘、存储卡、智能手机、嵌入式系统等设备。
闪存是一种改进自 EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器） 的存储技术，它比传统的 EEPROM 拥有更高的读写速度和存储密度，同时生产成本更低。
闪存（英语：flash memory）是一种像电可擦写只读存储器一样的存储器，允许对资料进行多次的删除、加入或改写。这种内存广泛用于储存卡、U盘之中，因其可迅速改写的特性非常适合手机、笔记本电脑、游戏主机、掌机之间的文件转移，也曾经是数字相机、数字随身听和PDA的主要资料转移方式。
早期的闪存只要进行一次删除就会连带清除掉所有的资料，但目前已可以精确到对指定的资料进行单个删除。与传统的硬盘相比，闪存有更佳的动态抗震性，不会因为剧烈晃动而造成资料丢失；闪存在被做成储存卡时非常坚固牢靠，可以浸在水中，也可抵抗高压力和极端温度；并且闪存属于“非易失性固态存储”，非易失性指的是在保存文件时不需要消耗电力。基于以上这些优点，使得闪存非常适用于需要游历各种场所并需要随时存档的电子设备，因此在小型的可移动电子设备中大放异彩。闪存的出现迅速取代了造价高昂的普通EEPROM或需要保持供电才能保存数据的SRAM。
闪存在分类上属于“EEPROM”的一种，但一般业界所讲的EEPROM指的是那种“非快闪式”的普通EEPROM，并不是指它。闪存以“宏块抹除”的方式改写其体内的资料，因为这种宏块的特性导致它的“写入速度”往往慢于“读取速度”，但也导致它的成本远远低于“以字节为单位写入”的普通EEPROM[6]。由于普通EEPROM需要一个一个比特的删除已有资料，这让其传输速度极其缓慢，相较之下快闪记体直接使用“宏块抹除”则会快得多，在会多次用到高清画面、高质量音乐的情况下尤为明显。
闪存又分为NOR与NAND两型，闪存最常见的封装方式是TSOP48和BGA，在逻辑接口上的标准则由于厂商阵营而区分为两种：ONFI （页面存档备份，存于互联网档案馆）和Toggle。手机上的闪存常常以eMMC、UFS和NVME（特用于苹果设备中的闪存）的方式存在。
2. 闪存的工作原理
闪存将资料存储在由浮栅金属氧化物半导体场效应晶体管组成的记忆单元数组内，在单层存储单元（Single-level cell, SLC）设备中，每个单元只存储1比特的信息。而多层存储单元（Multi-level cell, MLC）设备则利用多种电荷值的控制让每个单元可以存储1比特以上的资料，这样提升了容量，降低价格，但是减少了寿命，性能下降，存储稳定性下降。目前已经量产TLC（Trinary-Level Cell）还有QLC产品，目前TLC还是主要使用的技术。
闪存使用浮栅晶体管（Floating Gate Transistor）存储数据，每个存储单元（Memory Cell）由一个 MOSFET 晶体管 组成。
（1）存储数据的方式
- 存储单元（Memory Cell） 由控制栅（Control Gate）和浮栅（Floating Gate）**组成。
- 浮栅可以存储电荷，决定该单元存储的是“0”还是“1”。
- 通过“隧道效应”（Tunneling Effect），电子可以被注入或移除，改变浮栅的电荷状态，从而实现数据的写入和擦除。
（2）数据读写过程
- 写入（Write/Program）：通过高电压将电子注入浮栅，改变存储单元的状态。
- 读取（Read）：通过施加小电压检测浮栅是否带电，决定存储的数据是 0 还是 1。
- 擦除（Erase）：通过反向电压移除电子，将所有单元重置为“1”（通常是 1 状态表示未写入数据）。
由于闪存的写入和擦除都涉及高电压操作，并且只能以“块（Block）”或“页（Page）”为单位进行擦除，因此其写入寿命有限。
3. 闪存的主要类型
根据存储单元的结构和数据存储的方式，闪存主要分为以下几种类型：
（1）NOR Flash
- 特点：
- 读取速度快，支持随机访问（Random Access），可以直接执行存储器中的代码（XIP, eXecute In Place）。
- 擦写速度慢，存储密度低，单位成本高。
- 应用：
- 用于嵌入式设备、固件（Firmware）存储，如BIOS、微控制器、工业设备。
- 适合存储需要频繁读取但少量更新的数据。
（2）NAND Flash（主流闪存）
- 特点：
- 读取速度稍慢，不支持随机访问（需按块读取），但写入和擦除速度快，存储密度高，单位成本低。
- 适用于大容量数据存储，如 SSD、U 盘、存储卡等。
- 应用：
（3）SLC、MLC、TLC、QLC 颗粒分类
NAND 闪存根据每个存储单元存储的位数，分为不同类型：
| 类型 | 每单元存储位数 | 速度 | 可靠性（写入寿命） | 成本 | 应用场景 |
|---|---|---|---|---|---|
| SLC（单层单元） | 1 bit | 最快 | 最高（10 万次擦写） | 最贵 | 工业设备、服务器、企业级 SSD |
| MLC（多层单元） | 2 bits | 较快 | 高（约 1 万次擦写） | 较高 | 高端 SSD、游戏设备 |
| TLC（三层单元） | 3 bits | 一般 | 中等（约 3000 次擦写） | 较低 | 普通消费级 SSD、U 盘 |
| QLC（四层单元） | 4 bits | 最慢 | 最低（约 500-1000 次擦写） | 最便宜 | 大容量 SSD、云存储 |
目前，消费级 SSD 主要使用 TLC/QLC，企业级 SSD 仍采用 MLC/SLC，以提供更高的寿命和性能。
4. 闪存的优势和劣势
（1）闪存的优势
✅ 非易失性：断电后数据仍然保留，与 DRAM 相比具有更持久的存储能力。
✅ 高速存取：相比传统机械硬盘（HDD），闪存具有更快的读取和写入速度。
✅ 低功耗：不需要机械部件，功耗远低于 HDD，适合移动设备。
✅ 抗震耐用：无机械部件，不易受震动影响，适用于便携设备和工业应用。
（2）闪存的劣势
❌ 寿命有限：闪存的写入和擦除次数有限（SLC > MLC > TLC > QLC）。
❌ 写入放大效应：由于数据不能直接覆盖，需要擦除整块数据再写入，导致性能下降和寿命损耗。
❌ 存储密度与性能的取舍：存储密度越高（如 QLC），单元寿命和写入速度越低。
5. 闪存的应用领域
闪存已经成为现代存储技术的核心，广泛应用于各种设备：
- 消费电子：智能手机、平板电脑、数码相机、智能手表等。
- 计算机存储：SSD 固态硬盘、U 盘、SD 卡等。
- 服务器和数据中心：企业级 SSD、高性能存储阵列。
- 汽车电子：自动驾驶系统、车载信息娱乐系统（IVI）。
- 工业和嵌入式系统：医疗设备、工业控制器、IoT 设备等。
6. 闪存的未来发展
随着技术的进步，闪存的存储密度、性能和耐用性正在不断提高，未来的发展方向包括：
-
3D NAND 技术
-
PCIe 5.0 / 6.0 SSD
- 高速 NVMe 协议结合 PCIe 5.0 / 6.0 接口，将进一步提升 SSD 速度，适用于 AI、高性能计算和游戏。
-
存储级内存（SCM）
- 新型存储技术如 Intel Optane（3D XPoint）、MRAM（磁阻存储）、RRAM（阻变存储） 可能作为闪存的补充或替代方案，提供更快的访问速度和更长寿命。
闪存是目前主流的非易失性存储技术，广泛应用于消费电子、计算机、数据中心等领域。NAND 闪存凭借高密度、低成本的优势成为市场主流，而未来 3D NAND、高速 NVMe SSD 和新型存储技术将继续推动存储行业的发展。
7.闪存历史
闪存（无论是NOR型或NAND型）是舛冈富士雄博士1980年申请了一个叫做simultaneously erasable EEPROM的专利。然而，东芝公司的论资排辈却让这项划时代的发明石沉大海，直到4年之后。“我终于被提拔了，可以不要批准就去工厂，让工人们帮忙做出样品了”，富士雄说。 据东芝表示闪存之所以命名为“Flash”是由舛冈博士的同事有泉正二建议，因为这种内存的抹除流程让他想起了相机的闪光灯。舛冈博士在1984年的加州旧金山IEEE国际电子器件会议（International Electron Devices Meeting, IEDM）上发表了这项发明。Intel看到了这项发明的巨大潜力，并于1988年推出第一款商业性的NOR Flash芯片。
NOR Flash需要很长的时间进行抹写，但是它提供完整的寻址与资料总线，并允许随机存取存储器上的任何区域，这使的它非常适合取代老式的ROM芯片。当时ROM芯片主要用来存储几乎不需更新的代码，例如电脑的BIOS或机顶盒（Set-top Box）的固件。NOR Flash可以承受一万到一百万次抹写循环，它同时也是早期的可移除式快闪存储媒体的基础。CompactFlash本来便是以NOR Flash为基础的，虽然它之后跳槽到成本较低的NAND Flash。
舛冈富士雄没有停止追求，在1986年发明了NAND Flash，大大降低了制造成本。由于他的贡献，东芝奖励了他一笔几百美金的奖金和一个位置很高却悠闲的职位。做为一个工程师，他忍受不了这种待遇，不得不辞职进入大学继续科研。东芝在1989年的国际固态电路会议（ISSCC）上发表了NAND Flash。NAND Flash具有较快的抹写时间，而且每个存储单元的面积也较小，这让NAND Flash相较于NOR Flash具有较高的存储密度与较低的每比特成本。同时它的可抹除次数也高出NOR Flash十倍。然而NAND Flash的I/O接口并没有随机存取外部地址总线，它必须以区块性的方式进行读取，NAND Flash典型的区块大小是数百至数千比特。
因为多数微处理器与微控制器要求字节等级的随机存取，所以NAND Flash不适合取代那些用以装载程序的ROM。从这样的角度看来，NAND Flash比较像光盘、硬盘这类的次级存储设备。NAND Flash非常适合用于储存卡之类的大量存储设备。第一款建立在NAND Flash基础上的可移除式存储媒体是SmartMedia，此后许多存储媒体也跟着采用NAND Flash，包括MultiMediaCard、Secure Digital、Memory Stick与xD卡。
在很长一段时间，东芝公司甚至不承认NOR flash是舛冈富士雄发明的，宣称是Intel发明的。直到IEEE在1997年颁给舛冈富士雄特殊贡献奖后才改口。舛冈富士雄觉得自己的贡献被东芝公司抹杀了，于2006年起诉了东芝公司，并索要10亿日元的补偿，最后和东芝公司达成和解，得到8700万日元（合758,000美元）。