NAND闪存的进化之路

《电脑爱好者》2019年第08期 2020-01-15 15:17专题 标签:NAND 闪存

SSD自诞生之日起,就不断朝着更强性能、更高容量和更低价格进化。想完成这三个目标,首先就需要从NAND闪存着手,包括引入更先进的生产工艺、可存储更多数据的多层单元,以及从2D平铺向3D堆叠的结构转变。

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制程工艺

和我们熟悉的CPU相同,NAND闪存芯片也是由硅晶圆片切割而来,其电气性能受到制程工艺的影响。当CPU改用更先进的制程工艺后(如从14nm升级为10nm),可以在更小尺寸的芯片中集成更多晶体管,并改善栅极间的漏电率,从而获得更高的频率(性能)和更低的功耗。NAND闪存芯片也是如此,更先进的工艺,可以在相同芯片面积的情况下获得更大的容量。

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多层单元

硅晶圆片工艺的升级进度很慢,赶不上市场对SSD容量的需求变化。因此,从NAND闪存的单元层数入手,就是缓解这一矛盾的有效手段。NAND闪存是由多个以bit(比特)为单位的单元构成,这些单元通过电荷被打开或关闭来记录存储状态(0,1)。

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名称:SLC(单层单元)Single Level Cell

简介:一般的存储单元,无论是DRAM、SRAM还是ROM,都只能记录1bit的数据。在NAND闪存中,这种只能记录1bit的就被称之为“单层单元”,也就是我们经常念叨的“SLC”。

擦写寿命:100000次

优点:读写性能最强、循环擦写寿命周期最长、读写错误率低,可靠性更好

缺点:容量较小、成本高昂

现状和选购建议:适合服务器或每天都需要大量读写的应用环境,目前消费级市场基本已经绝迹

 

名称:MLC(多层单元)Multi Level Cell

简介:多层单元即MLC,其特色是在SLC的1bit/单元基础上变成了2bit/单元,可以记录00、01、10和11四个状态,从而能在相同芯片面积下保存更多数据,即提升了存储容量。

擦写寿命:10000次

优点:读写性能很强、寿命和稳定性较TLC有着巨大优势

缺点:不如SLC耐用可靠

现状和选购建议:适合频繁使用电脑的用户和游戏玩家,目前只有一些已停产的老产品还在使用MLC闪存

 

名称:TLC(三层单元)Triple Level Cell

简介:TLC三层单元闪存可保存3bit/单元,可记录000、001、010、011、100、101、110和111八个状态,进一步提升了存储密度,但其读写的生命周期也同时被大幅缩短。

擦写寿命:500到1000次

优点:容量大幅提升、成本明显降低

缺点:性能和寿命下降明显

现状和选购建议:适合非专业领域的普通用户,目前TLC闪存基本已经一统SSD江湖,我们没得选择

 

名称:QLC(四层单元)Quad-level cells

简介:QLC四层单元是目前闪存生产中最低廉的规格,4bit/单元可记录0000,0001、…、1111等十六个状态,较TLC的储存密度提高了33%,但其性能和擦写寿命也进一步降低。

擦写寿命:150到1000次

优点:可进一步提升容量、成本进一步降低

缺点:性能相对最差、寿命和TLC基本持平或略差

现状和选购建议:适合追求容量价格比的用户,2019年基于QLC闪存设计的廉价SSD会越来越多


扩展阅读:为何从SLC到QLC性能越来越差

NAND闪存单元层级提升的代价是设计难度的提高以及性能的降低。假设闪存工作电压为2V,SLC闪存的1个bit有两个状态,每个状态可平均分配1V电压;MLC的四个状态可平均分配0.5V电压;到了QLC,每个状态只能分配0.125V,更多的状态和更小的电压,将导致电压区隔越小越难控制且干扰问题严重,这些都会影响闪存的性能、可靠性及稳定性。

立体堆叠

NAND闪存虽然可以通过制程工艺的提升来增加容量并降低成本,但更先进的工艺也会导致NAND的氧化层变薄进而影响可靠性。同时,NAND闪存从SLC→MLC→TLC→QLC,每一次都会招来质疑和谩骂。为了解决上述问题,3D NAND闪存堆叠和硅穿孔(TSV)封装技术便孕育而生了。

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所谓3D NAND(三星还将自家的技术称为V-NAND),就是一种类似“盖楼”的立体堆叠技术,可以在单芯片面积的基础上堆出更多容量。如今,64层的3D NAND闪存已经渐成市场的主流,三星已经在2018年量产了96层3D NAND SSD(970 EVO Plus SSD),东芝和金士顿的96层产品(BG4和A2000)也陆续上市,2019年初东芝甚至宣布了128层的3D NAND颗粒已经开发成功。

过去,NAND闪存都是以2D封装为主,一款SSD想获得更多容量,需要同时在PCB主板上嵌入更多颗NAND闪存芯片(图9-1),可能128GB容量就需要整整10颗,占满整个PCB主板的空间。

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3D NAND技术的好处多多,比如64层3D NAND就能在单颗粒上实现1GB容量(图9-2),还能明显降低成本和功耗,甚至可以将理论擦写寿命仅有150次的QLC闪存延长到1000次擦写!

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