Tech Talk：解讀閃存原理與顆粒類型

日期：2024-02-20 瀏覽：6081 分享：

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NAND 閃存作為如今各種電子設備中常見的非易失性存儲器，存在于固態硬盤（SSD）、USB閃存驅動器和智能手機存儲等器件。而隨著電腦終端、企業存儲、數據中心、甚至汽車配件等應用場景要求的多樣化，NAND閃存的存儲方式和堆疊技術也在持續演進。

本文將圍繞閃存顆粒相關的概念以及發展趨勢做介紹。

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據。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，當浮柵充電時，它被識別為“編程”狀態并標記為0。當浮柵沒有電荷時，它被識別為“擦除”狀態并標記為1。浮柵內部捕獲的電子數量與單元晶體管的閾值電壓成正比。若捕獲大量電子，晶體管則實現高閾值電壓；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，其存儲的電荷就保持狀態不變，即使器件斷電后數據也不會丟失。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現移動的過程，稱作“隧穿”。這個過程會造成隧道氧化層上的應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

根據每個單元可以存儲的位數，NAND閃存類型可以進一步分為SLC、MLC、TLC和QLC。

各NAND閃存類型的單元狀態

? 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，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，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。
? 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。
? 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。

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，但相應地，數據寫入速度變慢、P/E次數減少。目前業內早已在研制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量的精確度要求就越高，由此進一步對性能以及損壞率帶來了挑戰。

顆粒優缺點

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顆粒顯然最具有優勢，但是實際由于其電壓狀態較多，控制的難度較大，進而帶來了顆粒穩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、醫療、軍事設備等行業，但由于市面上SLC顆粒已經很難見到，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，常見于消費電子、普通企業服務器等行業。
? 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、大數據分析等場景。
? 海量存儲要求：QLC顆粒可以以極低成本實現海量數據存儲，部分應用如數據中心、云存儲等特定場景可以考慮此類顆粒。
因此，根據應用場景的特定需求，用戶可以靈活選用不同的閃存顆粒，實現在存儲容量、讀寫性能、壽命和成本上的平衡。

3D NAND發展趨勢

伴隨著存儲密度的持續提升，NAND閃存設計制造也正在經歷從平面到立體、從2D到3D的演進。
2D NAND的容量取決于單Die上容納的單元數量以及每個單元可以存儲的比特，其發展很容易遇到瓶頸。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進行多層垂直堆疊。