只有35次完全擦写的PLC闪存SSD：入坑需谨慎

目前在存储领域，毫无疑问人气最火爆的产品自然是SSD，和机械硬盘相比，SSD拥有许多得天独厚的优势，包括超高的速度，碾压般的4K随机读写以及并行访问能力，而机械硬盘由于结构的限制，已经来到了极限，基本上不会有什么新的进步。

看起来机械硬盘就该从这个世界上被历史所淘汰，然而目前随着闪存颗粒的密度越来越大，一个致命性的问题就此显现，那就是闪存颗粒的寿命，随着PLC颗粒的来临，超低寿命的NAND闪存终于成为消费者不得不注意和避免一个天坑。

闪存颗粒有哪些？

在消费者对PLC闪存进行口诛笔伐之前，我们还是先来看一下NAND闪存的类型，也就是从初代的SLC一直到PLC，它们究竟代表什么意思？

所谓的SLC、MLC、TLC、QLC的PLC，指的都是固态硬盘所采用的闪存类型。从原理上说，这些闪存的每个cell单元分别能存放1、2、3、4、5位电荷，换句话来说那就是单位密度的闪存随着闪存类型的不同呈现越来越大的趋势，比如说早期SLC SSD尽管在颗粒上十分地稳定，但是价格也是相当地昂贵，而且容量也小得多。

而现在随着TLC闪存的到来，单位体积的闪存密度成倍提升，从而让大容量闪存逐渐来到消费者的面前，要是同样的容量采用的是SLC闪存，或许现在的SSD其售价就要增加3-4倍之多。也就是说正是因为像TLC闪存这样的产品普及，我们才能使用到物美价廉的SSD，于是目前绝大部分的SSD都采用TLC闪存，目前看来是维系容量与售价之间最好的选择之一。

PLC闪存为何不给力？

之前我们说到，既然PLC闪存能够在单位空间内大幅增加闪存的密度，从而降低SSD的成本，那大家都使用PLC闪存不就好？大家都可以享受1元2GB的SSD，不是对消费者很有利吗？显然不是的，在你享受一方便利的同时，势必要降低部分的体验，而这种体验在NAND闪存颗粒上面同样成立。之前说过，PLC闪存颗粒能够在单位cell上存储五位的电荷，从而提升闪存密度，预计存储密度能够达到现有的1.9倍。但是由于电荷数目的增多，管理起来却愈发地困难，从而降低闪存的稳定性以及可擦写次数，同时写入速度也将降低。

衡量SSD寿命的一个重要参数便是P/E，1次P/E是指与硬盘容量等量的完全写入。在TLC还没有成为SSD主流之前，大部分的SSD还是采用MLC的闪存颗粒，虽然在价格上比较昂贵，但是性能确没的说，寿命也可以达到上万次的P/E，也就是说到电脑淘汰的日期，SSD损坏的概率也是相当地低，几乎等于没有。当时TLC取代MLC从而导致SSD损坏的说法也是接连不断，TLC也因此遭到大部分消费者的反对，随后厂商进行科普，表示他们通过某些技术让TLC闪存的寿命得到大幅的提升，事实上TLC闪存也拥有上千次的擦写次数，虽然比起MLC少很多，但是至少也可以用到电脑淘汰，而且消费者也没得选择，于是现在TLC闪存成为绝大部分SSD的标配。

然而到PLC闪存这种论调又开始老调重弹，不过这一次为什么说PLC闪存十分地坑人呢？原因是PLC闪存的理论的寿命实在是太低，如果说从1万次到2500次大家感知不强的话，那么从上千次直接跳到数十次，或许就会影响到绝大部分消费者的正常体验。根据行业的相关报道，最高端的SLC闪存拥有超过11000次的P/E，而MLC也有10000次，至于TLC虽然跟前面有一定的差距，但是也可以达到2500次。

然而到PLC阶段，闪存的寿命却急剧下降，即使是最老的5Xnm制程也只有400次，而现在更为致命的是为降低成本，厂商会使用更新一代的制程，再一次降低闪存的使用寿命，按照现有的技术计算，在1Xnm工艺制程下，PLC闪存仅有35次P/E，按照2TB的容量进行计算，也就是说这块硬盘的使用寿命仅有70TB，之后的数据安全就不保证，显然对于将系统盘拷入到SSD去，同时需要频繁写入和读取的消费者来说，这显然是不可接受的。同时相比较TLC闪存，PLC闪存在性能上也有较大程度的下降，同样让人难以接受。

3D NAND技术治标不治本

那么针对QLC与PLC这样降低SSD成本但是大幅降低闪存寿命的情况，厂商们究竟还有没有办法去解决呢？要是真的未来推出只有35层P/E的PLC闪存，恐怕消费者的投诉将会挤爆厂商们的邮箱。

针对这个问题，厂商们推出3D NAND闪存技术。和传统的2D NAND闪存相比，3D NAND可带来更好的性能，更低的成本以及更高的密度。目前由于技术的限制，2D NAND闪存的密度已经达到一个瓶颈，而3D NAND闪存的推出可以使得颗粒能够进行立体式的堆叠，从而解决由于晶圆物理极限而无法进一步扩大单颗芯片可用容量的限制。此外3D NAND技术对于闪存颗粒的制程并不是很敏感，因此即使采用1Xnm制造工艺，其P/E仍然不会有较大的变化。然而就像是之前所说的一样，PLC的物理架构决定即使处于最出色的环境也仅有400次的P/E次数，远远不及TLC闪存，更不用说MLC闪存，因此3D NAND在PLC闪存上的应用只能是治标不治本的办法。

PLC未来不明朗，购买TLC SSD有备无患

存储系统的担忧对于消费者来说是天经地义的， 毕竟谁也不想花费几百上千去买个没有多多少寿命的产品，甚至和硬盘相比，里面存储的数据和资料才是最为重要的。而对于硬盘厂商来说，它们对于硬盘品控和性能的追求比消费者更加急迫，如果一款硬盘的性能不尽如人意的话，那么最终损害的还是厂商自己的口碑。

除了3D NAND闪存之外，未来厂商还将通过很多手段去增加和延缓PLC闪存的使用寿命，比如说将其提升至1000次的P/E，或者降低写入的数据量，或者采用更新的闪存架构，至少等到市面上大规模普及PLC闪存，相对应的技术应该已经成熟。然而想要实现这种场景还需要比较长的一段时间，目前即使是QLC闪存也没有大规模铺张，更不用说PLC闪存。因此为确保数据的稳定以及性能的充分发挥，目前取得容量与性能之间较好平衡的TLC闪存才是最适合普通消费者的，当然MLC闪存更加出色，只是对于消费者来说，MLC闪存由于其高昂的价格可望而不可求。

而PLC闪存，在目前这个节点上，显然是不值得推荐的，当然未来PLC闪存成为大号U盘的可能性也十分的低，不过等到你手中的TLC因为容量或者寿终正寝之时，估计业界也已经推出比SSD更加先进的存储办法。

闪存芯片NOR Flash、NAND Flash傻傻分不清楚 ICMAX帮你搞定

通过前天的文章介绍，我们知道eMMC 是 Flash Memory 的一类，eMMC的内部组成是NAND flash+主控IC，那什么是Flash Memory、NOR Flash、NAND Flash，宏旺半导体就和大家好好捋一捋它们几者之间的关系。

Flash Memory 是一种非易失性的存储器。在嵌入式系统中通常用于存放系统、应用和数据等。在 PC 系统中，则主要用在固态硬盘以及主板 BIOS 中。另外，绝大部分的 U 盘、SDCard 等移动存储设备也都是使用 Flash Memory 作为存储介质。

1. Flash Memory 的主要特性

与传统的硬盘存储器相比，Flash Memory 具有质量轻、能耗低、体积小、抗震能力强等的优点，但也有不少局限性，主要如下：

需要先擦除再写入

Flash Memory 写入数据时有一定的限制，它只能将当前为 1 的比特改写为 0，而无法将已经为 0 的比特改写为 1，只有在擦除的操作中，才能把整块的比特改写为 1。

块擦除次数有限

Flash Memory 的每个数据块都有擦除次数的限制（十万到百万次不等），擦写超过一定次数后，该数据块将无法可靠存储数据，成为坏块。

为了最大化的延长 Flash Memory 的寿命，在软件上需要做擦写均衡（Wear Leveling），通过分散写入、动态映射等手段均衡使用各个数据块。同时，软件还需要进行坏块管理（Bad Block Management，BBM），标识坏块，不让坏块参与数据存储。（注：除了擦写导致的坏块外，Flash Memory 在生产过程也会产生坏块，即固有坏块。）

读写干扰

由于硬件实现上的物理特性，Flash Memory 在进行读写操作时，有可能会导致邻近的其他比特发生位翻转，导致数据异常，这种异常可以通过重新擦除来恢复，Flash Memory 应用中通常会使用 ECC 等算法进行错误检测和数据修正。

电荷泄漏

存储在 Flash Memory 存储单元的电荷，如果长期没有使用，会发生电荷泄漏，导致数据错误，不过这个时间比较长，一般十年左右，此种异常是非永久性的，重新擦除可以恢复。

2. NOR Flash 和 NAND Flash

根据硬件上存储原理的不同，Flash Memory 主要可以分为 NOR Flash 和 NAND Flash 两类。 主要的差异如下所示：

· NAND Flash 读取速度与 NOR Flash 相近，根据接口的不同有所差异；

· NAND Flash 的写入速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 的擦除速度比 NOR Flash 快很多；

· NAND Flash 最大擦次数比 NOR Flash 多；

· NOR Flash 支持片上执行，可以在上面直接运行代码；

· NOR Flash 软件驱动比 NAND Flash 简单；

· NOR Flash 可以随机按字节读取数据，NAND Flash 需要按块进行读取。

· 大容量下 NAND Flash 比 NOR Flash 成本要低很多，体积也更小；

（注：NOR Flash 和 NAND Flash 的擦除都是按块块进行的，执行一个擦除或者写入操作时，NOR Flash 大约需要 5s，而 NAND Flash 通常不超过 4ms。）

2.1 NOR Flash

NOR Flash 根据与 CPU 端接口的不同，可以分为 Parallel NOR Flash 和 Serial NOR Flash 两类。

Parallel NOR Flash 可以接入到 Host 的 SRAM/DRAM Controller 上，所存储的内容可以直接映射到 CPU 地址空间，不需要拷贝到 RAM 中即可被 CPU 访问，因而支持片上执行。Serial NOR Flash 的成本比 Parallel NOR Flash 低，主要通过 SPI 接口与 Host 连接。

图片： Parallel NOR Flash 与 Serial NOR Flash

鉴于 NOR Flash 擦写速度慢，成本高等特性，NOR Flash 主要应用于小容量、内容更新少的场景，例如 PC 主板 BIOS、路由器系统存储等。

2.2 NAND Flash

NAND Flash 需要通过专门的 NFI（NAND Flash Interface）与 Host 端进行通信，如下图所示：

图片：NAND Flash Interface

NAND Flash 根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell） 和 TLC（Triple-Level Cell） 三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。

NAND Flash 的一个存储单元内部，是通过不同的电压等级，来表示其所存储的信息的。在 SLC 中，存储单元的电压被分为两个等级，分别表示 0 和 1 两个状态，即 1 个比特。在 MLC 中，存储单元的电压则被分为 4 个等级，分别表示 00 01 10 11 四个状态，即 2 个比特位。同理，在 TLC 中，存储单元的电压被分为 8 个等级，存储 3 个比特信息。

图片： SLC、MLC 与 TLC

NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。下图 中，给出了特定工艺和技术水平下的成本和寿命数据。

相比于 NOR Flash，NAND Flash 写入性能好，大容量下成本低。目前，绝大部分手机和平板等移动设备中所使用的 eMMC 内部的 Flash Memory 都属于 NAND Flash，PC 中的固态硬盘中也是使用 NAND Flash。

3. Raw Flash 和 Managed Flash

由于 Flash Memory 存在按块擦写、擦写次数的限制、读写干扰、电荷泄露等的局限，为了最大程度的发挥 Flash Memory 的价值，通常需要有一个特殊的软件层次，实现坏块管理、擦写均衡、ECC、垃圾回收等的功能，这一个软件层次称为 FTL（Flash Translation Layer）。

在具体实现中，根据 FTL 所在的位置的不同，可以把 Flash Memory 分为 Raw Flash 和 Managed Flash 两类。

图片： Raw Flash 和 Managed Flash

Raw Flash

在此类应用中，在 Host 端通常有专门的 FTL 或者 Flash 文件系统来实现坏块管理、擦写均衡等的功能。Host 端的软件复杂度较高，但是整体方案的成本较低，常用于价格敏感的嵌入式产品中。通常我们所说的 NOR Flash 和 NAND Flash 都属于这类型。

Managed Flash

Managed Flash 在其内部集成了 Flash Controller，用于完成擦写均衡、坏块管理、ECC校验等功能。相比于直接将 Flash 接入到 Host 端，Managed Flash 屏蔽了 Flash 的物理特性，对 Host 提供标准化的接口，可以减少 Host 端软件的复杂度，让 Host 端专注于上层业务，省去对 Flash 进行特殊的处理。eMMC、SD Card、UFS、U 盘等产品是属于 Managed Flash 这一类。

看完这篇文章，相信对Flash memory都会有一个全面的了解，无论是其原理，还是NOR Flash 和 NAND Flash、Raw Flash 和 Managed Flash 之间的异同，欢迎关注宏旺半导体，会持续带来存储领域更专业的文章。

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