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nand flash读写 NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

发布时间 : 2024-10-07

作者 : 小编

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NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

来源：内容由微信公众号半导体行业观察（ID：icbank）翻译自「embedded」，作者 Avinash Aravindan，谢谢。

嵌入式系统设计人员在选择闪存时必须考虑许多因素：使用哪种类型的Flash架构，是选择串行接口还是并行接口，是否需要校验码（ECC）等。如果处理器或控制器仅支持一种类型的接口，则会限制选项，因此可以轻松选择内存。但是，情况往往并非如此。例如，一些FPGA支持串行NOR闪存、并行NOR闪存和NAND闪存来存储配置数据，同样，它们也可以用来存储用户数据，这使得选择正确的存储器件更加困难。本文将讨论闪存的不同方面，重点放在NOR闪存和NAND闪存的差异方面。

存储架构

闪存将信息存储在由浮栅晶体管制成的存储单元中。这些技术的名称解释了存储器单元的组织方式。在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门（参见图1）。

NOR Flash（左）具有类似NOR门的架构。NAND Flash（右）类似于NAN

NOR Flash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势，这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100％已知的零件寿命。缺点包括较大的单元尺寸导致每比特的较高成本和较慢的写入和擦除速度。

相比之下，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。缺点包括较慢的读取速度和I / O映射类型或间接接口，这更复杂并且不允许随机访问。值得注意的是，NAND Flash中的代码执行是通过将内容映射到RAM来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。另一个主要缺点是存在坏块。NAND闪存通常在部件的整个生命周期内出现额外的位故障时具有98％的良好位，因此，器件内需要ECC功能。

存储容量

与NOR闪存相比，NAND闪存的密度要高得多，主要是因为其每比特成本较低。NAND闪存通常具有1Gb至16Gb的容量。NOR闪存的密度范围从64Mb到2Gb。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

擦除/读写

在NOR和NAND闪存中，存储器被组织成擦除块。该架构有助于在保持性能的同时保持较低的成本，例如，较小的块尺寸可以实现更快的擦除周期。然而，较小块的缺点是芯片面积和存储器成本增加。由于每比特成本较低，与NOR闪存相比，NAND闪存可以更经济高效地支持更小的擦除块。目前，NAND闪存的典型块大小为8KB至32KB，NOR Flash为64KB至256KB。

NAND闪存中的擦除操作非常简单，而在NOR闪存中，每个字节在擦除之前都需要写入“0”。这使得NOR闪存的擦除操作比NAND闪存慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要3.5ms才能擦除128KB块，而NOR闪存S70GL02GT则需要约520ms来擦除类似的128KB扇区。这相差近150倍。

如前所述，NOR闪存具有足够的地址和数据线来映射整个存储区域，类似于SRAM的工作方式。例如，具有16位数据总线的2Gbit（256MB）NOR闪存将具有27条地址线，可以对任何存储器位置进行随机读取访问。在NAND闪存中，使用多路复用地址和数据总线访问存储器。典型的NAND闪存使用8位或16位多路复用地址/数据总线以及其他信号，如芯片使能，写使能，读使能，地址锁存使能，命令锁存使能和就绪/忙碌。NAND Flash需要提供命令（读，写或擦除），然后是地址和数据。这些额外的操作使NAND闪存的随机读取速度慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要30μS，而NOR闪存S70GL02GT需要120nS。因此，NOR比NAND快250倍。

为了克服或减少较慢读取速度的限制，通常以NAND闪存中的页方式读取数据，每个页是擦除块的较小子部分。仅在每个读取周期开始时使用地址和命令周期顺序读取一页的内容。NAND闪存的顺序访问持续时间通常低于NOR闪存设备中的随机访问持续时间。利用NOR Flash的随机访问架构，需要在每个读取周期切换地址线，从而累积随机访问以进行顺序读取。随着要读取的数据块的大小增加，NOR闪存中的累积延迟变得大于NAND闪存。因此，NAND Flash顺序读取可以更快。但是，由于NAND Flash的初始读取访问持续时间要长得多，两者的性能差异只有在传输大数据块时才是明显的，通常大小要超过1 KB。

在两种Flash技术中，只有在块为空时才能将数据写入块。NOR Flash的慢速擦除操作使写操作更慢。在NAND Flash中，类似于读取，数据通常以页形式编写或编程（通常为2KB）。例如，单独使用NAND闪存S34ML04G2 写入页面需要300μS。

为了加快写入操作，现代NOR Flashes还采用类似于页面写入的缓冲区编程。例如，前文所述的NOR闪存S70GL02GT，支持缓冲器编程，这使其能够实现与单词相似写入超时多字节编程。例如，512字节数据的缓冲区编程可以实现1.14MBps的吞吐量。

能耗

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是，NOR Flash的待机电流远低于NAND Flash。两个闪存的瞬时有功功率相当。因此，有效功率由存储器活动的持续时间决定。NOR Flash在随机读取方面具有优势，而NAND Flash在擦除，写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

可靠性

保存数据的可靠性是任何存储设备的重要性能指标。闪存会遭遇称为位翻转的现象，其中一些位可以被反转。这种现象在NAND闪存中比在NOR闪存中更常见。出于产量考虑，NAND闪存随附着散布的坏块，随着擦除和编程周期在NAND闪存的整个生命周期中持续，更多的存储器单元变坏。因此，坏块处理是NAND闪存的强制性功能。另一方面，NOR闪存带有零坏块，在存储器的使用寿命期间具有非常低的坏块累积。因此，当涉及存储数据的可靠性时，NOR Flash具有优于NAND Flash的优势。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，NOR Flash再次占据优势，例如，NOR Flash闪存S70GL02GT提供20年的数据保留，最高可达1K编程/擦除周期，NAND闪存S34ML04G2提供10年的典型数据保留。

编程和擦除周期的数量曾是一个需要考虑的重要特性。这是因为与NOR闪存相比，NAND闪存用于提供10倍更好的编程和擦除周期。随着技术进步，这已不再适用，因为这两种存储器在这方面的性能已经很接近。例如，S70GL02GT NOR和S34ML04G2 NAND都支持100,000个编程 - 擦除周期。但是，由于NAND闪存中使用的块尺寸较小，因此每次操作都会擦除较小的区域。与NOR Flash相比，其整体寿命更长。

表1提供了本文中讨论的主要内容摘要。

NOR闪存和NAND闪存的主要特性与一般和具体比较数据的比较。

通常，NOR闪存是需要较低容量、快速随机读取访问和更高数据可靠性的应用的理想选择，例如代码执行所需。NAND闪存则非常适用于需要更高内存容量和更快写入和擦除操作的数据存储等应用。

4款热门旗舰NVMe SSD横评：原厂闪存之间的差距有多大？

对于高端NVMe SSD市场来说，各家大厂的争夺也是异常激烈，每家各显神通，对产品都有着不同的策略和定位。这给消费者的选购也带来了一些困惑，官方公布的数据非常接近，但实际性能是不是都一样？于是，本期的对比横评应运而生，我们选择了4款热门的高端NVMe SSD进行横向对比评测，他们分别是：三星970 EVO、东芝RD500、西部数据SN750、英特尔760P，这几家也都采用了各自的原厂颗粒，而且价格区间也比较接近。我们通过理论测试、应用测试以及极限测试，来还原每款产品的最真实本质，到底哪一款才是满足你使用需求的那颗菜？

选择的这4款产品都是目前的热门产品，但他们却各有特色，并且为了发挥出产品的最强性能，我们都选择了1TB容量的版本，这4款产品分别是：

三星970 EVO ，前上一代消费级TLC固态硬盘中的热点产品，因为产品更新，价格有所回落，与其他固态硬盘价格更为接近。三星这款固态硬盘采用的是64层的V-NAND，总写入量达到1200TBW，提供5年质保。官方给出的最大连续读取3500MB/s、连续写入2500MB/s，随机4K读取500K IOPS，随机4K写入480K IOPS。

西部数据WD_BLACK SN750，也是市场上关注度较高的SSD产品。它采用自家的3D NAND TLC闪存颗粒和主控，总写入量达到600TBW，提供5年质保。官方给出的最大连续读取3470MB/s、连续写入3000MB/s，随机4K读取515K IOPS，随机4K写入560K IOPS。

Intel 760P，2018年年初诞生的产品，因为其性能在当时属于顶尖水准而且价格能够接受，并且凭借Intel的口碑以及品质也是得到众多用户的青睐。它颗粒采用自家的64层3D-NAND闪存颗粒，总写入量在576TBW，提供5年质保。官方给出的最大连续读取3230MB/s、连续写入1625MB/s。随机4K读取340K IOPS，随机4K写入275 IOPS。

东芝RD500，最近刚刚发售的全新产品，推出后就在网上口碑很好,是PCIe Gen3*4规格的新晋旗舰产品，之前低一个级别的RC500在同类型产品中有着出众的表现，广受好评，而作为更高阶的RD500。RD500的存储颗粒以及主控单元依然都是使用的是东芝原厂芯片，采用96层3D BiCS FLASH技术。总写入量600TBW，提供5年质保。官方给出的最大连续读取3400MB/s、连续写入3200MB/s。随机4K读取640K IOPS，随机4K写入600K IOPS。

测试方向&测试平台

针对不同固态硬盘的性能差异，我们主要通过理论性能测试、实际使用测试，极限读写测试，温度这四个方面，对4款固态硬盘的进行全面考量。

为了保证这里横评的4款固态硬盘可以说代表了当前市场上最强的固态硬盘，测试平台不能太差，因此选择i9 9900K搭配华硕M11H作为测试平台上，具体配置如下。

理论性能测试

常规跑分测试

首先是使用AS SSD Benchmark，CrystalDiskMark这两款软件,在默认设置下对固态硬盘的最大连续读写、4K随机读写进行测试。

首先从AS SSD Benchmark得分而言，RD500获得了最高的分数，主要强在它的4K-64性能，分数达到了6475分，几乎高出了第二名的SN750 1000分，970 EVO第三，760P最后。

而在使用CrystalDiskMark这款软件进行测试后，测试的结果基本类似。在顺序读写上，只有Intel 760P有明显的差距，其他固态硬盘之间的差距较小。而在更重要的4K随机读写上，东芝RD500的多线程4K随机读写能力更强一些，这也说明AS SSD Benchmar评分机制中4K随机读写的成绩会占较大比重，因为在日常应用中4K也最经常被使用到。

在这个环节中，主要是验证了固态硬盘均达到了官方给出了最大指标，，接下来还需要进行更详细的测试，来对比四款硬盘的性能。

空盘SLC缓存测试

在TLC 硬盘中，为了解决TLC NAND Flash自身读写较慢的问题，厂商为TLC固态硬盘配备了SLC Cache缓存空间，一旦这个缓存使用完，往往就会出现断崖式降速。而上面在默认情况下使用AS SSD Benchmark CrystalDiskMark这些常规固态硬盘跑分软件无法反应出硬盘降速问题，测试出来的成绩其实都是在测试SLC Cache的性能，从某种意义上来说，SLC Cache的综合性能代表了固态硬盘最本质的性能，因此这里就使用HD Tune分别对4块硬盘的缓冲容量大小以及缓外速度进行测试。

首先来看下三星970EVO的测试结果，它的缓存容量约为43G，缓内速度约为2400m/s，而缓存外的写入速度达到了1300M/s。

对于WD_BLACK SN750来说，它的缓存容量一直是个弱项，缓存仅有13G，缓内速度2750m/s，缓存速度缓外略高于三星，速度约为1500M/s。

接着就是东芝RD500，它的的缓存容量约为41G，稍弱于三星970EVO，但缓内速度约为2900M/s，比三星西数都要高一点，而缓外速度是1000M/s。

最后是英特尔760P，缓存容量约为10G，缓内速度仅有1500M/s而缓外速度仅有900M/s左右，后期写入速度也发生了明显的掉速，是所有产品里表现最差的。

东芝RD500与三星970EVO可以说在这个环节里处于伯仲之间，两款固态硬盘都拥有40GB以上的缓存容量，东芝RD500拥有最快的缓内速度，缓外速度略低于三星970 EVO。而西数SN750的缓存容量偏小，仅有约13GB，与前2名的SLC缓存容量差距较大，但缓外速度达到1500M/s，算是也能弥补一些SLC缓存容量偏小的问题，英特尔760P的成绩依然垫底。

80%占用SLC缓存测试

接下来我们还将进行更为激进的测试，我们给4块硬盘分别填入800G的文件，让固态硬盘的占用在80%左右，以简单模拟长时间使用后硬盘空间减小的情况，看看在这种情况下，固态硬盘的缓存大小，缓存速度和缓外速度会发生怎样的变化。

首先还是对三星970EVO进行测试，它缓存容量下降到只剩5GB，看出其采用动态缓存设计，缓内速度约为2400m/s，而缓存外的写入速度依然有1300M/s左右。

WD_BLACKSN750的缓存容量依然为13G，是固定缓存设计，缓外速度略微降低2700m/s左右，缓存速度缓外速度约为1500M/s左右。

东芝RD500的缓存容量约为24GB，缓存速度约为2600M/s，而缓外速度依然为1000M/s，可以看出它与三星970 EVO相同，采用了动态缓存设计，但与三星的机制不同，SLC缓存依旧比较大，这对RD500的性能也会有一定的帮助，可以弥补外存外速度不高的问题

英特尔760P的缓存容量下降到了5GB，缓存速度仅有1500M/s而且缓外速度仅有850M/s左右，表现依旧是最差的。

在填入800G数据后，除了WD_BLACK SN750表现比较稳定外，外其余3款SSD均发生不同程度的波动，主要都是缓存容量发生变化。

东芝RD500和三星970EVO 空盘状态下均为缓存大小基本一致，可填入数据后线东芝RD500的缓存容量依然还有24GB，而三星970EVO 却发生大幅下降，这可能和东芝RD500的缓存策略有关，在有限的空间内，RD500会尽可能调用剩余空间提供足够大的SLC 缓存，以保证硬盘能够长时间高速运行，这也从侧面说明，东芝对于自家颗粒的寿命是否有自信。就从这一环节表现来看，RD500的缓存性能策略是要好于三星的。而760P缓存容量下降为原来的一半，同样仅有5G左右的缓存容量。

极限读写测试

通过上面针对SLC缓存的测试，我们也非常期待在实际的环境下这些固态硬盘的表现是否也向上面测试结果表现出来的一致，我们将分别测试四款固态硬盘在空盘以及80%占用下进行拷贝40G/60G单个大文件，拷贝26G碎文件以及解压47G游戏压缩包的速度。

40G/60G单个大文件拷贝测试

测试文件是单个大小约为40G/60G的压缩包，模拟拷贝大文件写入场景（例如：游戏压缩包、高清视频素材等），主要是测试固态硬盘持续写入的能力，其中固态硬盘的缓存大小以缓外速度会对最终的测试成绩产生较大的影响。

这个测试结果也印证了我们之前HD Tune对于SLC缓存的测试结论。在拷贝40G文件时，得益于东芝RD500最大的SLC缓存容量和最快的缓内速度，在这个环节中排名第一，而西数SN750因为缓存偏小，但缓外速度，紧接其后位于第二。而三星970 EVO虽说同样拥有43G的大缓存，在空盘时表现不错，不过随着使用容量增加缓存容量下降的较快，在80%占用的情况下，拷贝用时有所增加，位于第三位。而Intel 760P的性能始终不太理想基本处于倒数第一。

而在将拷贝文件增加至60G后，SN750的综合成绩基本和RD500差不多，这也是因为拷贝文件已经超过RD500的最佳性能区域，有部分文件是在以缓外速度进行写入，而SN7501500M/s的缓外速度占了一些优势，，不过在日常使用中，对于绝大部分用户来说大文件的拷贝频率一般不会太高。

26G碎文件拷贝测试

这里选择测试的碎文件是由Windows系统文件以及游戏原文件组成的碎文件包，与上面的大文件测试不同，主要是对硬盘的4K随机写入能力提出要求，可以一定程度模拟游戏及大量文件转移时的情况。

在这个环节中，空盘状态下除了Intel 760P，其他固态硬盘均保持21s左右完成26G文件的写入，要领先760P 30s。而在80%占用后，WD_BLACK SN750，东芝RD500以及三星970 EVO，成绩非常接近，分别差距2秒，而英特尔760P因为自身读写速度不足，稳定处于最后一位。

47G压缩包解压测试

测试用的游戏压缩包是《地铁离去》的游戏原文件压缩包，所有压缩包文件大小在47G左右，游戏压缩包放置在测试硬盘内，并解压到同一个文件夹中，这种情况下固态硬盘的读取与写入能力会同时影响到解压用时。

在游戏解压环节上，三星，东芝，西部数据固态硬盘之间的差距都非常小，不过三星970EVO以相对微弱的优势处于这个测试的第一。综合看来三星，东芝，西部数据属于这项测试的第一梯队，垫底依然是Intel 760P。

实际使用测试

游戏加载测试

现在的游戏文件越来越大，打开游戏会涉及大量文件的读取，硬盘的读取能力会直接影响到游戏体验。因此这个环节通过测试游戏的加载时间来看看四款固态硬盘的成绩。游戏测试这里是选择今年发行的两款顶配游戏，众生平等：《刺客信条：奥德赛》以及显卡杀手：《地铁：离去》两款游戏在1080P分辨率下均无脑开启最高特效（地铁关闭光追）分别记录《刺客信条：奥德赛》第一存存档点和《地铁：离去》伏尔加河关卡的加载时间。

在游戏中，四块固态硬盘，无论是空盘还是80%占用下，游戏加载上均保持非常相近的成绩，而且4款SSD无论是空盘还是80%占用，都不会对游戏体验造成明显的影响，可以保持体验一致性。

PSB文件使用测试

在游戏之外，进行图片内容创作创作也是很多用户在电脑中会使用到的，这里我们使用Photoshop对硬盘的性能进行测试。由于一般简单PS修图对硬盘的读写性能要求并不高，可在使用PS制作海报时，工程文件动辄数G，原文件的打开与保存会耗费大量的时间，于是这里准备了一个大小约为2.7G的PSB海报工程文件作为固态硬盘的读写测试文件，分别测试硬盘的固态硬盘在空盘与80%占用下的打开与保存速度。

在打开PSB文件上，四款硬盘的在相同状态下的差距不大于2s，完全可以认为4块硬盘打开PSB文件的性能非常接近。而在保存PSB文件上，唯有三星970 EVO在80%占用后发生了显著变化，用时在40s以上，比其他硬盘要慢上5s。

综合上诉实际使用测试，在空盘状态下四款固态硬盘的成绩都基本趋于一致，实际表现并没有非常明显的区别，可以说现阶段的高阶TLC固态硬盘已经都能够完全胜任这些基础软件操作和应用场景，即便是面对众生平等奥德赛和显卡杀手地铁逃离这种级别的大型游戏文件，这款4款固态硬盘应对起来都是绰绰有余。

表面温度

在这个环节中，使用热成像仪记录4块固态硬盘在待机状态下的温度以及长时间拷贝文件的极限温度。主机是直接裸露在外，为了加快测试过程，主板上会同时插上两块固态硬盘，因此下面的热成像图片会有两种背景。由于热成像仪器在记录银色金属主控时会触发识别误差，因此在RD500的主控位置盖上一张纸片，以避免热成像设备触发BUG。

在待机状态，四款固态硬盘的温差在41度到53度之间，最高温度都集中在主控位置。其中SN750温度最高，待机状态下主控温度达到53度。接着是760P待机温度为48度。970 EVO与待机温度均为45度，位列第二，而RD500待机温度最低，仅有41度，是待机温度最低的固态硬盘。

在满载测试的情况下，三星970EVO与西数SN750主控的温度最高，三星970EVO的温度更是达到99度，作为上一代的老款旗舰，温度确实太高了，SN750的温度也来到92度。而东芝RD500的最高温度78度左右，最高点依然处于主控位置。温度最低就是Intel 760P，主控温度仅有72度，比西数要低20度，当然性能低温度也低。

结论

测试到这里，相信各位对这4块固态硬盘的性能有了自己的看法，接下来我们就逐个分析和复盘。因为这4块固态硬盘都是目前市面上的旗舰产品，自然有他优秀的地方，所以接下来的横评结论会从理论性能、实际应用等多个维度给出综合点评。

三星970 EVO 这是上一代旗舰产品，不过在性能上，毫无疑问依然属于目前旗舰水平，能够跟上最新旗舰产品的节奏，但详细对比后会发现，在一些细节上已经落后于现在的新款产品，例如最高读写速度，缓存速度而这些落后的项目中，最为突出的就在于高达99度的主控温度，在电脑机箱内想要找到比他更高的芯片还真有点难度。如果在夏天，持续高负载读写下主控温度破百不是问题，作为日常使用时，还是考虑为其增加散热片，增加使用时的稳定性，这也是消费者需要考虑的一个重要环节。

东芝RD500 一款刚上架不久的新旗舰级产品，采用96层3D BiCS FLASH堆叠技术、东芝原厂颗粒的产品，在硬件技术上是领先的。此外RD500的，整体性能也是可圈可点的，无论在理论测试还是极限测试环节中都有多个项目领先，依托于优秀的SLC Cache缓存机制，以及最大的43GB的缓存空间和最高的缓内速度，在最经常用到的中小型文件读写场景下有着非常明显的优势，再加上较低的主控温度表现。目前阶段，从数据上综合来看RD500是很值得选购的旗舰NVMe SSD产品。

西部数据WD_BLACK SN750 在综合性能表现上，SN750无论是日常游戏、内容创作的表现都是比较稳定的。也是因为得益于其固态缓存的设计，不过约13GB的缓存容量在目前的各类旗舰NVMe SSD中来说有些捉襟见肘，但其拥有1500M/s的缓外速度也能作为缓存容量不足的补充，另外一个缺点就是相对较高的主控温度，这个需要消费者后期自己额外购买第三方散热片，或是选择价格更高的EKWB版本，但如果这么做性价比就相对不高了。

Intel 760P 算是4款测试产品中“年龄”最大的固态硬盘了，在很多测试环节中，成绩都排在最后一名，面对现在使用新技术的固态硬盘，760P的极限性能确实有些招架不住。不过之所以知道他的成绩垫底，也是因为进行了日常使用比较少见的极限性能测试，而在常规使用环境下，相信也没多少玩家会像我一样天天去拷贝数百G的文件，更何况他的温度表现是四款固态硬盘中最优秀，软件体验也是一致。所以真的落到实际使用时，760P会更适合在笔记本上使用，只要入手的价格合适也不是不能选择。

每款产品代表着每个厂商在推向市场时都有自己的策略和定位，在选择能满足自己需求，同时又能以比较小代价得到的我们就称之为高性价比，这也是本文想要阐述的观点，希望能为近期想要选购高性能NVMe SSD的玩家们一些启发和借鉴。

NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

4款热门旗舰NVMe SSD横评：原厂闪存之间的差距有多大？

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