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nand基本单元 SSD故事会（2）：SSD内部结构是怎样的

发布时间 : 2025-04-05

作者 : 小编

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SSD故事会（2）：SSD内部结构是怎样的

【PConline 杂谈】 SSD固态硬盘是这些年在存储技术上重大进步，它带来了电脑主存储颠覆性地改变。升级SSD不仅是性能上的小幅度提升，SSD将利用具有革命性的随机访问速度、卓越的多任务处理能力、杰出的耐久度及可靠性来改变您的电脑使用体验。毫无疑问，SSD将是未来存储的主角。这一期的SSD故事会，就带大家了解最基本的SSD组成主要部件，主控芯片、NAND闪存芯片及固件算法！

SSD速度上远抛开机械硬盘：

传统的机械硬盘（HDD）运行主要是靠机械驱动头，包括马达、盘片、磁头摇臂等必需的机械部件，它必须在快速旋转的磁盘上移动至访问位置，至少95%的时间都消耗在机械部件的动作上。

SSD却不同机械构造，无需移动的部件，主要由主控与闪存芯片组成的SSD可以以更快速度和准确性访问驱动器到任何位置。传统机械硬盘必须得依靠主轴主机、磁头和磁头臂来找到位置，而SSD用集成的电路代替了物理旋转磁盘，访问数据的时间及延迟远远超过了机械硬盘。SSD有如此的“神速”，完全得益于内部的组成部件：主控--闪存--固件算法。

主控、闪存及固件算法三者的关系：

SSD最重要的三个组件就是NAND闪存，控制器及固件。NAND闪存负责重要的存储任务，控制器和固件需要协作来完成复杂且同样重要的任务，即管理数据存储、维护SSD性能和使用寿命等。

主控：

控制器是一种嵌入式微芯片（如电脑中CPU），其功能就像命令中心，发出SSD的所有操作请求----从实际读取和写入数据到执行垃圾回收和耗损均衡算法等，以保证SSD的速度及整洁度，可以说主控是SSD的大脑中枢。目前主流的控制器有Marvell、SandForce、Samsung、Indilinx等。像Marvell各方面都很强劲，代表型号为Marvell 88SS9187/89/90主控，运用在浦科特、闪迪、英睿达等品牌的SSD上。

SandForce的性能也不错，它的特点是支持压缩数据，比如一个10M的可压缩数据可能被他压成5M的写入硬盘，但还是占用10M的空间，可以提高点速度，最大的特点是会延长SSD的寿命，但是CPU占用会高点而且速度会随着硬盘的使用逐渐小幅度降低。代表型号为SF-2281，运用在包括Intel、金士顿、威刚等品牌的SSD上。

Samsung主控一般只有自家的SSD上使用，性能上也是很强悍的，不会比Marvell差多少。目前三星主控已经发展到第五代MEX，主要运用在三星850EVO、850PRO上。

固件算法：

SSD的固件是确保SSD性能的最重要组件，用于驱动控制器。主控将使用SSD中固件算法中的控制程序，去执行自动信号处理，耗损平衡，错误校正码（ECC），坏块管理、垃圾回收算法、与主机设备（如电脑）通信，以及执行数据加密等任务。由于固件冗余存储至NAND闪存中，因此当SSD制造商发布一个更新时，需要手动更新固件来改进和扩大SSD的功能。

开发高品质的固件不仅需要精密的工程技术，而且需要在NAND闪存、控制器和其他SSD组件间实现完美整合。此外，还必须掌握NADN特征、半导体工艺和控制器特征等领域的最先进的技术。固件的品质越好，整个SSD就越精确，越高效，目前具备独立固件研发的SSD厂商并不多，仅有Intel/英睿达/浦科特/OCZ/三星等厂商。

NAND闪存：

SSD用户的数据全部存储于NAND闪存里，它是SSD的存储媒介。SSD最主要的成本就集中在NAND闪存上。NAND闪存不仅决定了SSD的使用寿命，而且对SSD的性能影响也非常大。NAND闪存颗粒结构及工作原理都很复杂，接下来我们会继续推出系列文章来重点介绍闪存，这里主要来了解一下大家平常选购SSD经常接触到的SLC、MLC及TLC闪存。

SLC/MLC/TLC闪存：

三种闪存状态（图片来自网络）

这几年NAND闪存的技术发展迅猛同，从企业级标准的SLC闪存到被广泛运用在消费级SSD上的MLC闪存再到目前正在兴起的TLC闪存，短短时间里，我们看到NAND技术显著进步。对SLC、MLC及TLC闪存怎么理解呢？简单来说，NAND闪存中存储的数据是以电荷的方式存储在每个NAND存储单元内的，SLC、MLC及TLC就是存储的位数不同。

单层存储与多层存储的区别在于每个NAND存储单元一次所能存储的“位元数”。SLC（Single-Level Cell）单层式存储每个存储单元仅能储存1bit数据，同样，MLC（Multi-Level Cell）可储存2bit数据，TLC(Trinary-Level)可储存3bit数据。一个存储单元上，一次存储的位数越多，该单元拥有的容量就越大，这样能节约闪存的成本，提高NAND的生产量。但随之而来的是，向每个单元存储单元中加入更多的数据会使得状态难以辨别，并且可靠性、耐用性和性能都会降低。

闪存的类型各自有优缺点，如何在保证SSD的性能，耐久度，寿命的前提下，提高存储密度，增大SSD的容量，降低SSD的制造成本，这才有可能迎来下一个个人存储革命的开端。

总结：SSD带来极速体验的前提是拥有着非常复杂的技术在支撑，并不同机械硬盘通电即使用，SSD需要正确地使用方法及后期更多的维护，而这些的基础是您对SSD有足够的了解，这也是我们推荐小白系列讲堂的目的，下一期我们将继续探讨神秘的SSD技术。

闪存芯片：“层数”决定高度？

自铠侠的前身东芝存储在1987年发明NAND闪存以来，NAND闪存经历了从二维到三维的技术演进，三星作为3D NAND闪存的缔造者，至今仍占据着技术和产能双第一的宝座。但目前，以美光、西部数据、铠侠为代表的厂商纷纷在200+层3D NAND闪存领域发力，各厂商的竞争进入产能和层数等的多重较量，这是否会动摇三星的领先地位？层数不是唯一评判标准 3DNAND闪存领域的技术进步速度极快，使得市场竞争异常激烈。而闪存企业的产品利润率水平又与其创新能力息息相关，因此各大厂商在新产品的研发上竞争不断加剧。2013年8月，三星推出了全球首款3DNAND闪存，当时的层数仅为24层，而经过9年的技术突破，目前可以量产的3D NAND最高层数已经达到了176层，但能够真正做到的企业只有三星和美光。今年2月初，三星发出公告称，将在2022年底或2023年上半年推出200层以上的3D NAND芯片，并在2023年上半年开始量产。预计三星第一款200层以上3D NAND芯片的层数将达到224层。就在大家以为三星将继续引领技术潮流，将3D NAND闪存带入200+层新时代的时候，美光却抢先一步在其投资日活动上公开表示，将于2022年底开始量产全球首款232层3DNAND芯片，搭载该芯片的SSD将在2023年发布。美光此举可以说是后发制人，而且这也不是美光第一次这么做了。早在2022年1月，美光就早于三星率先发布了业内首款176层3D NAND芯片。半导体行业专家池宪念向《中国电子报》记者指出：“美光此次技术突破，一方面可降低其生产成本，并使美光拥有最先进闪存芯片的定价权，从而为其增加更多的利润；另一方面，美光借此进一步提高了自己的技术门槛，拉开与其它厂商的差距，使其在存储芯片市场的竞争力和3D NAND 闪存市场份额得到进一步增加。”除了美光之外，日本存储领军企业铠侠与西部数据共同表示，将于2022年底量产162层3D NAND，2024年之前推出200层以上的3D NAND芯片；而我国存储芯片头部企业长江存储同样有消息称，长江存储已经开始向一些客户交付了其独立研发的192层3D NAND闪存的样品，预计将于2022年底前正式推出相应产品。本报记者联系了长江存储相关人员，但对方表示对该消息不予置评。可以看出，各大企业都在积极研发200+层NAND闪存，美光、铠侠、西数、长存在层数上都已具有了与三星掰手腕的实力，三星在技术上的绝对优势已经开始发生动摇。半导体行业专家杨俊刚向《中国电子报》记者表示，从目前的研发进度来看，三星和美光在多层数堆叠存储器方面的技术基础较为领先，三星或会为了追求技术的领先性，以及提前抢占市场份额，调整时间，争取更早在市场上推出200+层闪存产品。闪存的层数越多，单位空间存储密度就越大，总存储容量越容易提升，但值得注意的是，层数并不是决定闪存性能的唯一指标。创道投资咨询总经理步日欣在接受《中国电子报》记者采访时表示，3DNAND闪存堆叠技术在原理上基本类似，即通过堆叠的方式，实现在更小的空间和面积完成各大的存储容量。但是各个厂家都有各自的技术架构和演进路线图，并不完全一致，各家都有各家的技术工艺特色。在低层级的时候，3D堆叠确实能够显著提升闪存的性能，但是随着层数的增加，性能提升也会遭遇瓶颈，需要在技术、成本和性能之间寻找一个平衡。池宪念明确指出，层数的领先并不能代表美光在闪存技术上已经超过了三星。因为，对闪存产品的评价除了堆叠层数以外，还需要对接口速度、可靠性、随机读取性能、低能耗、增加每单元位数等方面的指标进行对比。此外还需要评价在生产过程中能否实现低成本、低损耗。在堆叠层数落后的情况下，三星可以通过提高产品的实际性能来提升自身的竞争力。市场格局稳定中存变数 有数据显示，近几年，三星和铠侠始终占领NAND市场份额的第一、第二，西部数据、美光、海力士以及被收购前的英特尔NAND业务占据3-6名且名次常有轮换。可以看出，产能同样是NAND闪存企业比拼的重点。目前，各大企业都在积极扩产，希望提高产能和市占率。2020年9月，韩国芯片大厂SK海力士宣布斥资90亿美元收购英特尔的NAND闪存业务，并于2021年年底完成了交易，在交易事项中，就包括了位于中国大连的闪存芯片工厂。近日，SK海力士决定继续扩大投资并在大连工厂内建设一座新的晶圆工厂，将大连工厂打造成具有国际竞争力的NAND闪存生产基地，目前已正式开工。据悉，SK海力士加上英特尔的NAND闪存业务的市场总份额将达到全球第二，但相较于三星的市场份额依然存在较大差距。短期内，三星在NAND产业的地位仍然难以超越。而铠侠和西部数据这对已经合作20年的“亲密伙伴”也在近期宣布将共同投资位于日本四日市的Fab7（Y7）制造工厂的第一阶段工程，为该工厂建设第六座闪存生产设施，预计今年秋季启动生产。双方表示，将基于共同研发3D NAND及联合投资等方式，继续发挥协同效应、增强各自竞争力，扩大在存储领域的领先地位。据报道，西部数据CEO David Goeckeler曾在采访中表示，铠侠是西部数据重要的合作伙伴，两家企业加起来是全球最大的NAND供应商，市占率略高于三星。步日欣认为，单纯依赖各家略有差异化的技术路线，并不能形成非常强的竞争优势，闪存相对稳定的市场格局短时间内很难被打破。在市场格局层面，铠侠和西数单纯的业务合作，很难撼动三星的市场地位，即便是之前西部数据意图收购铠侠，资本层面的全面合并，也很难出现1+1>2的结果。而三星在NAND领域的产业链相对完善、技术也相对成熟，在NAND与其他企业合作的可能性不是很大。近期，有消息称，长江存储的规模已经突破10万片/月。芯谋研究高级分析师张彬磊指出，企业已经进入良性发展阶段，随着良率进一步提升、成本进一步降低，长江存储将逐渐进入全球闪存市场，与头部企业竞争。步日欣同样看好长江存储，但他也指出，闪存属于标准化产品，存在规模效应，而且全球已经形成稳固的市场格局，国内厂商要实现突围，不能单纯依赖价格、服务优势等市场化手段，更应该寻求国外厂商不具备的优势点，比如更加贴近用户，开辟蓝海市场，构建产品和技术成熟度，形成生态。尽管各大企业都在努力突围，增强各项能力，想要提升市场占有率，但在短时间内，他们所带来的冲击依旧有限，无论是技术还是产能，三星仍然是一道无法逾越的高墙，全球NAND闪存市场格局还将继续维持现状。

作者丨许子皓

编辑丨陈炳欣

美编丨马利亚

监制丨连晓东

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