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ecc nand MLC与TLC同根生，Intel 3D NAND技术大揭秘

发布时间 : 2025-03-14

作者 : 小编

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MLC与TLC同根生，Intel 3D NAND技术大揭秘

现在每一个闪存厂家都在向3D NAND技术发展，我们之前也报道过Intel 3D NAND的一些信息，昨天5月14日，Intel & Richmax举办了一场3D Nand Technical Workshop技术讲解会，在会议上Intel的技术人员给在场人员具体的讲解了Intel 3D NAND的计划以及一些技术上的细节。

3D NAND的好处自然就是能够比现在的闪存提供功能大的存储空间，存储密度可以达到现有闪存的三倍以上，未来甚至可以做出10TB以上的2.5寸SSD出来。另外还有一个重要特性，就是（每单位容量）成本将会比现有技术更低，而且因为无需再通过升级制程工艺、缩小cell单元以增加容量密度，可靠性和性能会更好。

Intel在现在2D NAND时代是没有做TLC闪存的，但是在即将到来的3D NAND时代，Intel将推出自己的TLC闪存，另外还有一个非常重要的就是，TLC与MLC其实都是同一块芯片，这点和现在三星的3D NAND差不多，Intel的客户可以根据自己的需求选择闪存是工作在MLC模式还是TLC模式。在MLC模式下每Die容量是256Gb，而TLC模式下每Die容量是384Gb。

Intel 3D NAND目前会使用32层堆叠，电荷存储量和当年的50nm节点产品相当，第二第三代产品依然会保持这样的电荷量，以保证产品的可靠性，会议上并没有明确说明3D NAND到底是使用那种工艺，只说了用的是50nm到34nm之间的工艺。

Intel的3D NAND代号是L06B/B0KB

L06B是MLC产品的代号 ，采用ONFI 4.0标准，Die Size 32GB，16k Page Size，使用4-plane设计，虽然会带来额外的延时，但同时也提供了比目前常见的2-plane设计闪存高1倍的读写吞吐量，闪存寿命是3000 P/E。

B0KB则是TLC产品的代号 ，由于是同一芯片所以许多东西都是L06B一样，当然容量、性能与寿命什么的肯定不同，Die Size 48GB，闪存寿命是1500 P/E，由于是TLC所以需要ECC标准是更高的LDPC。

Intel 3D NAND全部会使用132-Ball BGA封装，L06B可以从256Gb（32GB）到4096Gb（512GB）的产品，具体的请看上表，不过这款闪存的CE数其实是可以调的，这样可以更容易的做出更大容量的SSD。

闪存有三种工作模式

MLC工作的模式有2-pass和1-pass两种编程模式，默认的是2-pass编程模式，第一次编程lower page的数据写入到NAND阵列里面，而第二次编程则会把upper page的数据写入。

而1-pass编程模式的意思当然就是指一次编程就把lower page与upper page的数据都写入到NAND阵列里面，这样可以节省15%的编程时间，但是用这种算法的话闪存寿命会比两步编程模式时低一些，低多少并没有具体说明。

而TLC的编程算法则要复杂很多了，第一步和MLC的一步编程模式相类似，就是直接把lower page与upper page一齐写入到NAND阵列里面，第二步则是写入extra page的数据，由于算法复杂，第二部编程时需要对数据进行ECC校验。

上面所说闪存的2-pass MLC、1-pass MLC与TLC工作模式是可以用使用指令随时切换的，这对厂家来说闪存的使用会变得非常灵活，当然了产品的用户是不能这样乱改工作模式的。

至于Intel的3D NAND什么时候会开始供应，今年Q3中旬会开始相各个合作伙伴提供测试样品，MLC/TLC的都有，2015年Q4末开始大规模供货，产品的定价会根据那时的市场情况再决定。

神奇的ECC，可将内存的成本进一步降低

高端消费产品、网络和工业系统等内存密集型应用程序正面临着成本压力，这促使工程师寻找在提高性能的同时降低系统成本的新方法。错误码校正(ECC)是NAND闪存中维护可靠性和延长内存寿命的关键技术。为了在市场上实现基于NAND闪存的系统有更好的效率，与集成ECC的架构相比，开发人员更加倾向于在主机MCU中实现ECC架构。

本文将探讨集成的和基于主机的ECC之间的差异，比较一下每种方法对系统性能、可靠性和最终成本的影响。

ECC

简单说一下什么叫ECC。ECC内存即纠错内存，简单的说，其具有发现错误，纠正错误的功能，一般多应用在高档台式电脑/服务器及图形工作站上，这将使整个电脑系统在工作时更趋于安全稳定。

内存在其工作过程中难免会出现错误，而对于稳定性要求高的用户来说，内存错误可能会引起致命性问题。内存错误根据其原因还可分为硬错误和软错误。硬件错误是由于硬件的损害或缺陷造成的，因此数据总是不正确，此类错误是无法纠正的；软错误是随机出现的，例如在内存附近突然出现电子干扰等因素都可能造成内存软错误的发生。

当为一个系统选择闪存时，开发人员可以在NAND和NOR技术之间进行选择。NAND单元比NOR单元小，所以NAND的每位成本比NOR内存低。这反过来导致NAND闪存比NOR闪存可用的密度更高。此外，与NAND相比，NOR单元背后的物理原理导致了更长的程序擦除(P/E)时间。由于这些优点，NAND正以越来越快的速度被采用。

传统上NAND闪存的缺点是耐久性和读取性能较慢。随着时间的推移，NAND单元磨损或失去保持程序值的能力，将影响内存位转换状态。当一个块（Block）开始磨损时，它的数据可以转移到另一个块。随着单元的退化，为了防止数据丢失，我们便采用ECC技术。

ECC使用冗余来验证存储的数据是否与写入到内存的数据相匹配。此外，当检测到错误时，为了确保更高的数据完整性，ECC可以对每个块的错误数量进行修正。当超过某个错误阈值时，数据被移动到一个新块上。废弃的块被标记为“bad”，再也不会使用。因此，NAND闪存与ECC结合就可以提供高可靠性应用程序所需的完整性水平。

然而，由于ECC生成和检查需要时间过程，因此它会影响吞吐量和系统成本，这取决于它是如何实现的。通常，ECC可以与内存本身集成或由主机处理器在外部管理。集成方法有两种配置:

一种是单模方法，其中ECC是内存die的一部分，另一种是双模方法，其中控制器IC(具有串行接口和ECC)与内存die合并。在基于主机的方式下，ECC支持MCU NAND flash控制器去访问NAND。内存制造商提供的这三个选项允许OEM为他们的应用程序选择最佳的折衷方案。

一种灵活的ECC方法

将ECC集成到NAND闪存，具备了直接由存储器芯片本身管理ECC的优势。然而，尽管这种方法在某种程度上简化了系统设计，但代价是较高的内存成本和较低的读取性能。与主机处理器中使用的更高的内部时钟频率相比，闪存中较慢的内部时钟导致了读取性能的降低。

集成了ECC之后就增加了NAND闪存设备的大小和复杂性，因此内存成本会更高。考虑到一个8位ECC的硬件实现有大约50K。这表示对一个简单内存控制器的门数（gate count）(3000K)有~1.7%的影响。然而，如果集成在NAND存储器上，影响会在10-15%之间，并且会使存储器的成本增加更多。对于使用多内存设备的大内存需求系统，将ECC与NAND内存集成意味着要多次支付额外成本，而不是基于主机MCU一次性支付ECC。

此外，读取性能也有所下降，因为集成ECC会增加延迟，每个内存读取的时钟率低于主机控制器可以处理ECC检查的时钟率。下图显示了NOR flash、集成ECC的NAND flash以及基于主机的ECC的NAND flash的读取吞吐量比较。可以看出，集成ECC的NAND闪存的性能不到NOR闪存的一半。然而，当ECC是基于主机的时候，NAND闪存的读取性能几乎翻倍，几乎与NOR闪存持平。

当检测到错误(并纠正错误)时，基于主机的ECC提供了更好的性能。下图显示了错误对读取第一数据时间(RFDT)的影响。通过集成ECC, RFDT从45微秒增加到70微秒。对于基于主机的ECC, RFDT要好得多，仅从35微秒增加到45微秒。

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