V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

当我们在聊固态硬盘的时候，我们到底在聊些什么？经历了十数年的行业发展后，固态硬盘的技术规范和产品形态上逐步实现了统一，各家产品的差异已然上升到了内部架构和核心组件方面的技术代差上了。

简单剖析，固态硬盘产品的内核无外乎三大组件，用于调控整体存储功能和特殊机制的“大脑”即主控芯片，产品内部制作成本最高、担当存储重任的闪存颗粒，以及部分产品上用于产品支撑的缓存颗粒。

至于重要性而言，一举打破存储行业格局，让固态硬盘走入千家万户的存储介质，即闪存颗粒部分，可以说是区别固态硬盘好坏的最重要的内核组件。今天，笔者就以业界知名的三星970EVO Plus为实例，简单聊下关于闪存颗粒的技术和功能演变。

01 关于NAND闪存：单位电荷数Bit的变迁

NAND闪存，按照业界一般的理解， 本质上是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器，其中非易失性的突出特点，使得这种基于通断电存储的介质能够长久的保存数据，最终使得NAND闪存颗粒走向了前台；其实，熟悉闪存的朋友，可能还听过另一个词，即Dram颗粒，即动态随机存取存储器，同样是基于通断电的特性，只不过DRAM芯片的每次存储数据的过程中需要对于存储信息不停的刷新，无法实现长久存储，因而错过了这次“C位出道”的时机。

三星原厂NAND闪存颗粒

NAND闪存工作的原理是通过单位NAND内部电荷数Bit的通电和放电，实现对数据的存储。基于无机械结构的电荷存储优势，NAND闪存技术能够提供包括高性能、稳定、耐摔耐磕碰、一体成型故障率低等多种特点，迅速成为了各家存储厂商研发的重点。

因而，为了进一步提升NAND闪存容量，满足用户对于大容量存储的需求，在以三星、东芝、Intel等领先的NAND原厂推进下，研发出了不同电荷数Bit的多种NAND颗粒，即为SLC(1bit）、MLC（2bit）、TLC(3bit)、QLC(4bit)以及处于实验阶段即将量产的PLC（5bit）等类型。

不同颗粒类型的bit数分布

可随着单位电荷数Bit的堆叠，带来了两个后果，一是单位电荷Bit的增加对于半导体工艺制程的要求越来越高，从50nm制程一路升级到14/15/16nm制程，半导体制程工艺越来越无法满足更多单位电荷数Bit的堆叠了；二是单位电荷数Bit的堆叠，会在狭小的NAND闪存内部产生大量的干扰电流，严重影响闪存产品的性能和寿命。

02 三星V-NAND技术：从平面到垂直的创新性探索

为了解决单位堆叠的带来的电荷干扰问题以及半导体工艺的瓶颈，三星创新性的提出了在原有制程的基础上将NAND闪存以3D堆叠的形式，封装在NAND闪存之中，一方面解决了在平面的狭小空间内多个电荷数排列产生的电子干扰问题，保证了产品的质量和性能；

全球首款V-NAND技术产品

更为重要的是，解决了工艺制程无法推进容量提升的瓶颈，用3D堆叠替代2D平面排列，让NAND闪存以垂直的形式进行排列，进而提升了总体的容量。

V-NAND和普通2D NAND

朴素的理解就是，此前的NAND闪存就像在单位面积的地基上盖平房，平房的容积是恒定的，要想提升入住人口，只能无下限的降低单位容积率，其后果就是制造工艺和电磁干扰；

而V-NAND技术诞生之后，2D的平房变成了3D垂直的楼房，理论上只要高度不限制，单位面积的地基上的可利用容积几乎等同于无限，即避免了制程工艺的瓶颈又解决了电磁干扰的问题。

01 V-NAND技术是三星970EVO Plus强劲性能的有力支撑

三星V-NAND技术从2013年引入市场，便引发了全行业的关注，从初代的32层（即在单位面积上的堆叠层数）到后续的64层，直到9X层，根据公开消息，三星V-NAND技术或将提升到200+层堆叠，最大限度的提升单位闪存的利用率。

而笔者手中这款三星970EVO Plus便是采用三星全新V-NAND技术研发的旗舰级产品，基于V-NANDND技术在容量和稳定性上巨大优势，搭配着三星自研的Phoenix主控，使得三星970EVO Plus的性能实现了超越。

根据官方提供的数据，三星970EVO Plus最大读取性能达到了3500MB/S，最大写入性能也达到了3300MB/S，几乎达到了消费级固态硬盘的巅峰水准。作为一款推出了数年的旗舰级固态硬盘，在即将踏入存储新纪元的当下，依旧没有任何一款同级别的PCIE3.0固态能够在性能上实现对970EVO Plus的绝对超越。

实测性能

这背后的原因，无外乎三星在V-NAND技术上的近十年的积累，以及在此基础上进行的主控配对和优化。

多说一句，随着PCIE4.0时代的来临，三星也将在新世代推出旗舰级980PRO固态硬盘，进而延续PCIE3.0时代的行业地位，可以预见的是，980PRO固态硬盘依旧会在V-NAND堆叠、主控性能方面实现大跨越的升级，至于三星970EVO Plus则还是会成为PCIE3.0世代下的王者存在。

2个角度解读3D闪存为什么要把自己堆起来

有朋友问存储极客，3D闪存是不是比较"高级"？为什么翻开几乎每个固态硬盘的宣传页，你都能看到关于3D闪存的介绍？今天存储极客就为大家解答这些问题。

东芝在2007年提出了3D闪存，并在后来将其命名为BiCS闪存。实际上关于3D闪存，三星也有自己的叫法：V-NAND，另外两家闪存原厂美光和Hynix则比较不讲究，没有为自己的3D闪存单独命名。

不同厂商3D闪存拥有自己的发展代系，比如三星目前发展到了第五代V-NAND，而东芝已经量产的是BiCS4：虽然4比5小，但二者皆为9X层3D堆叠技术，属于同代工艺。东芝的BiCS4甚至还要在具体堆叠层数（96层）上比三星（92层）更高一些，并且BiCS4的单die容量512Gb也比三星的256Gb高出一倍。

3D闪存降低每GB容量成本

如果从这项技术的出发点来看，它的出现一点也不高级：为了降低成本。半导体制造最直接的成本就是晶圆成本，目标是在同等大小的晶圆上制作出更多的芯片出来。

过去平面闪存通过制程微缩来达到这个目的，但后来人们发现平面闪存无法再缩小半间距了：电子数量同步缩减导致它无法稳定地存储数据。

既然半间距无法缩小，东芝设想出了将闪存单元改为立体堆叠结构，这样在同等晶圆面积上就能提供更高的存储容量，于是就有了BiCS 3D闪存。

到现在为止，3D闪存已经成为闪存中的主流形态。像TR200这样的入门级SATA固态硬盘也享受到了3D闪存带来的容量增长红利。观察TR200 480GB的京东价格历史你还会发现，现在相比一年前的价格足足降低了一半。

3D闪存让硬盘更紧凑

当前主流的64层3D闪存不仅在堆叠层数上增长，还通过改进蚀刻工艺将3D NAND器件中的字线"阶梯"部分的宽度缩小了45%，由此得到了更高的闪存阵列效率。

制造出的3D闪存芯片再通过叠die的方式，可将多个芯片集中封装为一个颗粒，再同等空间内实现更高的存储容量。

除了智能手机能之外，以东芝RC100为代表的单芯片迷你NVMe固态硬盘也从增长的存储密度当中受益，融合了主控和闪存的单个颗粒内就能提供高达480GB的存储空间。

总结来说，3D闪存的出现一方面降低了每GB容量价格，另一方面又给更高的存储容量带来了可能。正是这些优势使得3D闪存在固态硬盘中快速得到了普及。

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