Tech Talk：解讀閃存原理與顆粒類型

NAND 閃存作為如今各種電子設(shè)備中常見的非易失性存儲器，存在于固態(tài)硬盤（SSD）、USB閃存驅(qū)動器和智能手機(jī)存儲等器件。而隨著電腦終端、企業(yè)存儲、數(shù)據(jù)中心、甚至汽車配件等應(yīng)用場景要求的多樣化，NAND閃存的存儲方式和堆疊技術(shù)也在持續(xù)演進(jìn)。

本文將圍繞閃存顆粒相關(guān)的概念以及發(fā)展趨勢做介紹。

NAND閃存單元

NAND閃存基于浮柵晶體管，通過其中所存儲的電荷量表示不同的數(shù)據(jù)。NAND 閃存由NAND閃存單元（cell）組成，每個單元包含一個浮柵晶體管、一個源極和一個漏極。

簡易的NAND閃存單元示意圖

在最簡單的形式中，當(dāng)浮柵充電時，它被識別為“編程”狀態(tài)并標(biāo)記為0。當(dāng)浮柵沒有電荷時，它被識別為“擦除”狀態(tài)并標(biāo)記為1。

浮柵內(nèi)部捕獲的電子數(shù)量與單元晶體管的閾值電壓成正比。若捕獲大量電子，晶體管則實(shí)現(xiàn)高閾值電壓；若捕獲少量電子，則形成低閾值電壓。

如果周圍的電路沒有改變，浮柵處于絕緣狀態(tài)，其存儲的電荷就保持狀態(tài)不變，即使器件斷電后數(shù)據(jù)也不會丟失。因此，NAND閃存便具備了非易失性。

然而，NAND閃存每個單元的編程/擦除（Program/Erase，簡稱P/E）次數(shù)是有限的。在電壓作用下，電子在硅襯底和浮柵之間穿過氧化物實(shí)現(xiàn)移動的過程，稱作“隧穿”。這個過程會造成隧道氧化層上的應(yīng)力并且逐步破壞氧化層，因此浮柵最終將無法保持電荷，屆時閃存單元也無法使用，將被歸入壞塊池。

NAND閃存類型

根據(jù)每個單元可以存儲的位數(shù)，NAND閃存類型可以進(jìn)一步分為SLC、MLC、TLC和QLC。

各NAND閃存類型的單元狀態(tài)

SLC（Single-Level Cell，單層單元）

每個存儲單元僅存儲一個比特的信息，即0或1。由于每個單元只有2種狀態(tài)，SLC NAND閃存的存儲密度較低，但具有快速的寫入速度、耐久的P/E次數(shù)，成本也最高。

MLC（Multi-Level Cell，多層單元）

每個存儲單元可以存儲多個比特，通常是2個或4個比特。這里是相對于SLC而言，僅指存儲兩個比特的多層單元，其具有4種單元狀態(tài)。

TLC（Triple-Level Cell，三層單元）

每個存儲單元可以存儲3比特，具有8種單元狀態(tài)。

QLC（Quad-Level Cell，四層單元）

每個存儲單元可以存儲4比特，具有16種單元狀態(tài)。

通過在每個單元中存儲更多的比特，MLC、TLC和QLC NAND 閃存的存儲密度依次提高、成本下降、芯片外觀尺寸也大大縮減，但相應(yīng)地，數(shù)據(jù)寫入速度變慢、P/E次數(shù)減少。

目前業(yè)內(nèi)早已在研制PLC（Penta-Level Cell，五層單元），即每個存儲單元可存儲5比特信息，進(jìn)一步提升存儲密度并降低成本。但同時，對存儲單元劃分越來越多的電壓閾值，讀寫操作對電壓以及電子數(shù)量的精確度要求就越高，由此進(jìn)一步對性能以及損壞率帶來了挑戰(zhàn)。

顆粒優(yōu)缺點(diǎn)

基于各類型存儲單元的閃存顆粒，在性能、使用壽命和成本等方面的對比如下表所示。

單從成本角度考慮，QLC顆粒顯然最具有優(yōu)勢，但是實(shí)際由于其電壓狀態(tài)較多，控制的難度較大，進(jìn)而帶來了顆粒穩(wěn)定性和耐久性的問題。因此，四種顆粒的性能和壽命反而是依次下降的。

以SSD存儲為例，選用顆粒時可以參考如下幾個原則：

性能和可靠性要求

如果對這兩方面要求較高，那么可以考慮SLC顆粒的高耐用性和快速讀寫性能。此類高要求常見于金融、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，但由于市面上SLC顆粒已經(jīng)很難見到，這類顆粒往往需要定制。

性價比要求

對于存儲容量和成本都有一定要求的情況下，可以考慮MLC顆粒，其具備相對合理的容量/價格比，常見于消費(fèi)電子、普通企業(yè)服務(wù)器等行業(yè)。

存儲密度要求

如果對存儲密度有要求，也不需要極致壓縮成本，可選用TLC顆粒，常見于云存儲、大數(shù)據(jù)分析等場景。

海量存儲要求

QLC顆?？梢砸詷O低成本實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲，部分應(yīng)用如數(shù)據(jù)中心、云存儲等特定場景可以考慮此類顆粒。

因此，根據(jù)應(yīng)用場景的特定需求，用戶可以靈活選用不同的閃存顆粒，實(shí)現(xiàn)在存儲容量、讀寫性能、壽命和成本上的平衡。

3D NAND發(fā)展趨勢

伴隨著存儲密度的持續(xù)提升，NAND閃存設(shè)計制造也正在經(jīng)歷從平面到立體、從2D到3D的演進(jìn)。

2D NAND的容量取決于單Die上容納的單元數(shù)量以及每個單元可以存儲的比特，其發(fā)展很容易遇到瓶頸。而相較于2D NAND的水平堆疊，3D NAND更像摩天大樓，利用縱向維度，把閃存顆粒在立體空間內(nèi)進(jìn)行多層垂直堆疊。

從具體設(shè)計和實(shí)現(xiàn)上來看，3D NAND也更多地采用電荷捕獲型結(jié)構(gòu)（charge trap）而不再單純沿用浮柵設(shè)計，或?qū)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流路徑從單晶硅通道提升為多晶硅通道等，擴(kuò)大了空間。

3D NAND技術(shù)已廣泛應(yīng)用于終端SSD，可以大幅度優(yōu)化性能、功耗、耐用性以及成本，借助糾正技術(shù)和均衡算法也進(jìn)一步提高了存儲系統(tǒng)的可靠性，滿足數(shù)據(jù)中心、云計算和更多的關(guān)鍵應(yīng)用場景下的存儲需求。

聚焦于SSD存儲領(lǐng)域，硬盤的性能和穩(wěn)定性在很大程度上取決于其主控制器與NAND顆粒之間的協(xié)同工作方式。作為硬盤的大腦，主控制器將精確控制NAND的所有操作并通過算法優(yōu)化來延長SSD的整體壽命與性能提升。

憶聯(lián)自研存儲控制器芯片目前已支持SLC、MLC、TLC與QLC全部四種顆粒，且前三者已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。關(guān)于主控的更多介紹，請關(guān)注后續(xù)的Tech Talk專題文章。