开放NAND闪存接口ONFI介绍

引言：从《 NAND 存储简介》里我们知道， 从 SD 卡、手机、平板等消费级产品到数据中心企业级场景，NAND Flash 凭借其高性能、大容量、低功耗以及低成本等特性大受欢迎，是目前应用最为广泛的半导体非易失存储介质。接下来我们看一看 NAND 的闪存接口 ONFI。

一、定义

ONFI，全称为 Open NAND Flash Interface，即开放式 NAND 闪存接口，是一种协议，其定义了 NAND Flash 存储器和控制器之间的通信接口规范。该协议规定了一系列命令和数据传输格式，使得控制器能够与 NAND Flash 存储器进行有效通信，执行读取、写入、擦除等操作。

ONFI 由100多家制造、设计或使用 NAND 闪存的公司组成的行业工作组，其中包括主要成员如 Intel 和镁光。该工作组旨在简化将 NAND 闪存集成到消费电子产品、计算平台以及其他需要大容量固态存储的应用程序中的过程。为此，他们制定了标准化的组件级接口规范、连接器和模块外形规格。

二、规范

ONFI 规范涵盖了以下关键方面：

1  电气接口：定义了 NAND 闪存芯片与控制器之间的电压级别、信号时序和信号协议。

2  命令集：规定了控制器用于访问和控制NAND 闪存芯片的命令和命令序列，包括读取、写入、擦除等操作

3  数据传输模式：描述了接口支持的各种数据传输模式，如同步和异步数据传输、多平面操作和多通道访问等。

4  时序参数：指定了时序特性，包括设置和保持时间、最大时钟频率和其他时序约束，以确保可靠的数据传输。

三、趋势

通过采用开放接口标准，ONFI 加强了来自不同供应商的 NAND 设备之间的兼容性和互操作性。这一举措增加了标准设备的供应基础，缩短了产品设计时间，并加速了产品上市时间。自2006年12月发布第一个 ONFI 协议以来，ONFI 组织已经发布了数十个版本，其中接口速率从最初的 50Mbps 不断发展，目前已达到 3600Mbps 。下图展示了 ONFI 协议接口演进的趋势。

四、技术与挑战

如今，ONFI 已经发展到了 ONFI 5.x，ONFI 5.x 推出了 NV-LPDDR4 技术，将接口速率从 ONFI 5.0 的 2400Mbps 提升至 ONFI 5.1 的   3600Mbps。为了克服高速接口带来的信号完整性挑战，除了加强写校准和 VrefQ 校准外，ONFI 5.x 还引入了非对称 DQS 设计和自适应均衡器设计。DFE（Decision Feedback Equalizer，判决反馈均衡器）技术利用上次信道输出的判断加权反馈到输入，有助于消除码后干扰。另外，尽管 NV-DDR3 和 NV-LPDDR4 支持的最大接口速率相同，但 NV-LPDDR4 采用 LTT 技术可显著降低读操作功耗。

自 ONFI 1.0 到 ONFI 5.1，接口速率经历了快速发展，但命令、地址和数据传输形式基本保持不变。尽管总线速率提高，改善了数据传输时延，但命令和地址传输时延未见改善，导致系统总线利用效率不断下降。在下图中，我们以乐观的场景比较了写/读场景的总线效率，发现读和写的总线效率均逐渐下降，特别是读场景下降至约50%时，进一步增加了系统设计的挑战。

在巨霖 SIDesigner 仿真平台中，通过设置控制端和 NAND 端的 IBIS 文件和中间的 S 参数，即可以完成使用了 ONFI 协议的 NAND Flash 仿真。

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