ISSCC 2021 各家3D NAND技术大比拼

在上周周的ISSCC 2021上，六家主要的3D NAND闪存制造商中的四家展示了他们最新的3D NAND技术。其中三星、SK hynix和Kioxia（+ Western Digital）分享了其最新的3D TLC NAND设计，而英特尔则展示了其144层3D QLC NAND。美光公司和长江存储今年没有参加分享。

3D TLC（每个cell有3位）更新

三星、SK hynix和Kioxia / WD介绍了有关其下一代3D TLC的信息。美光的176L TLC未在此处显示，因为他们尚未针对最新一代的3D NAND发布大部分数据。

不出所料，看起来三星很可能再次在性能上处于领先地位，读取延迟最低、写入速度最快。然而，他们的位密度仍然明显滞后，即使他们宣称这一代的位密度跃升了70%。在过去，它们的密度滞后并不像乍一看那样是个缺点，因为三星能够避免使用串叠，可以将128层的堆栈作为单层制造，而他们的竞争对手都不得不将堆栈分成两层，增加了所需的晶圆厂步骤。这可能是三星不可避免地采用串叠的一代，但如果是这样的话，那么他们挥之不去的密度劣势就相当令人失望了。另一方面，如果他们成功地将这一转变再推迟一代，并且仅使用其他技术的组合（最显著的是CMOS underArray layout）就实现了这种密度的提高，那么这是一个非常令人印象深刻的进步，并且可以肯定地说，在涉及到垂直通道的高宽比蚀刻时，三星已经领先竞争对手好几年了，而垂直通道的高宽比蚀刻是扩展3D NAND的最关键的制造步骤。一旦三星披露实际的层数，我们就会知道更多，但他们暂时仍在保密，这暗示着他们并不希望吹嘘最高的层数。

SK hynix和Kioxia / WD所描述的TLC部件看起来相当相似，但区别在于SK hynix的是512Gb芯片，而Kioxia的容量为1Tb芯片。尽管Kioxia吹捧更高的NAND接口速度，但两种设计都具有相似的性能和密度。Kioxia和Western Digital发布了一个新闻稿，宣布了162层3D NAND，因此它们的总层数落后于SK hynix和Micron。该新闻稿还提到，其cell阵列的水平密度提高了10％，因此Kioxia和Western Digital可能将垂直通道比任何竞争对手都更紧密地排列在一起。

3D QLC（每个cell有4位）更新

今年唯一在ISSCC上进行QLC更新的公司是英特尔。

总的来说，英特尔比其他任何竞争对手都更加注重QLC NAND。这款144L QLC是英特尔没有与美光科技共同开发的第一代3D NAND，在某些方面它是独一无二的。英特尔将其3D NAND技术带向与其他行业不同的方向，因为它们将NAND闪存业务出售给SK hynix的协议将产生有趣的影响，但是在短期内，英特尔似乎正在获得他们想要的NAND。因为仅有144层，英特尔几乎可以肯定现在是层数的落后者。与9X层的QLC相比，英特尔具有更好的性能和密度-但是SK hynix和Kioxia描述的新型TLC的QLC版本应具有可比的密度。英特尔已经放弃使用96L QLC的方式来描述块大小，但144层NAND的48MB块尺寸看起来也很大。

不同厂商的CuA(CMOS-under-array)

英特尔和美光的合资企业现已解散，是继三星之后第二家转向3D NAND闪存制造商。英特尔/美光3D NAND带给业界的最重大创新是CMOS Under the Array（CuA）设计。这项技术可以将大多数NAND芯片的外围电路（页面缓冲器、读取放大器、电荷泵等）置于存储单元的垂直堆栈之下，而不是并排放置。

这种改变节省了大量的裸片空间，并允许将超过90％的裸片面积用于存储单元阵列。SK hynix是下一个做出这种改变的厂商，他们称之为"Periphery under Cell"（PuC）。其余厂商现在也都加入了这一行列。Kioxia（当时的东芝）和西数在ISSCC 2019上展示了128层的CuA设计，但他们的第五代BiCS 3D NAND最终以112L设计投产，没有CuA。他们今年的ISSCC展示的是 "170+"层的CuA设计，他们已经发布了新闻稿，确认他们的第六代BiCS 3D NAND将是162层的CuA设计。

除了节省裸片空间，3D NAND的CuA/PuC的设计风格还允许裸片包含更多的外围电路，这样做的成本效益比更高。这使得将裸片的存储器阵列划分为更多独立的平面，每个平面都有自己的大部分外围电路副本。大多数没有采用CuA布局的3D NAND都是每个裸片只使用两个平面，但现在大家都在使用CuA，标准是每个裸片使用四个平面。这提供了额外的并行性，提高了每颗晶粒的性能，并抵消了通常因使用较少晶粒达到相同总容量而导致的SSD整体性能下降。

CuA结构并非没有挑战和缺点。当制造商首次切换到CuA时，它们会大大增加外围电路的可用裸片空间。但是在那之后，每一代相继增加的层数意味着管理相同数量存储单元的die空间就更少了，因此外围电路仍然必须缩小。将外围电路置于存储单元阵列之下还会带来新的限制。例如，三星在今年的ISSCC演讲中提到，当电荷泵不再能够使用易于包含在3D NAND堆栈中的高金属结构时，这就为电荷泵构造大型电容器带来挑战。

更好的On-Die Parallelism：每个die四个平面

将NAND闪存管die分为四个平面可以使该die并行处理更多的操作，但是并不能使其表现得像四个独立的die。因为并行执行操作受到限制：例如，同时写入仍必须在每个平面内的同一字线上进行。但是随着闪存芯片数量的增加，制造商一直在努力放松一些限制。在过去的几年中，制造商推出了“独立”的多平面读取，这意味着在不同平面中的同时读取对每个平面内的读取位置没有任何限制，这是随机读取吞吐量的一大胜利。

现在，放宽了对多平面操作的另一个限制：不需要在不同平面上进行读取操作的时序。这使得一个平面可以从SLC页面执行多次读取，而另一平面则可以从TLC或QLC页面执行单个较慢的读取。此功能称为异步独立（多）平面读取。实际效果是，对于读取操作，一个大的4平面die现在可以匹配四个较小的1平面die的性能。这可以缓解更高的每个芯片容量给每个通道仅具有一个或两个芯片的SSD带来的性能下降。

Kioxia和WD报告说，要实现此功能，他们必须停止在平面之间共享电荷泵，以免因读取操作不同步而导致电压和电流波动不及时。英特尔还通过其4平面144L QLC达到了此功能的一半：将多个平面配对为多个平面组，每个平面组可以执行读取而无需与另一个平面组中的读取时序保持一致。

NAND IO加快了对SSD控制器的支持速度

ISSCC上介绍的新型TLC NAND部件支持NAND闪存die和SSD控制器之间的通信的IO速度范围为1.6到2.0 Gb / s。目前市场上最快的NAND SSD的运行速度为1.2-1.4Gb / s。NAND制造商可以通过确保将用于其SSD的自己的SSD控制器设计准备好支持这些更高的IO速度而从垂直集成中受益，但是可能会依赖其他第三方控制器的SSD供应商。Phison针对高端PCIe 4.0 SSD的最新E18 8通道控制器仅支持1.2Gb / s IO速度，而即将推出的E21T 4通道NVMe控制器则支持1.6Gb / s。Silicon Motion的8通道SM2264和4通道SM2267分别支持1.6Gb / s和1.2Gb / s IO速度。

由于以1.2Gb / s的速度运行8个通道已经足以使SSD饱和PCIe 4.0 x4连接，因此这些新的更高IO速度在PCIe 5.0到来之前对高端SSD并没有多大用处。但是，价格更实惠的4通道消费类SSD控制器将能够使用这些更高的速度更好地进入PCIe 4.0性能领域，达到或超过第一个PCIe 4.0 SSD控制器（Phison E16，8ch @ 800Mb / s）提供的吞吐量。正如诸如SK hynix GoldP31之类的驱动器所展示的那样，在每个通道上支持高IO速度的高级4通道控制器在性能上极具竞争力，同时以比8通道控制器更高的功率效率运行。

要达到这些更高的IO速度，就需要对NAND裸片上的接口逻辑进行重大升级，并且正如我们在其他高速接口（如PCI Express）中所看到的那样，增加的功耗是一个主要问题。三星正在通过使用双模式驱动程序和终端解决此问题。当由于总线上的更多负载而需要更高的驱动强度时（每个通道有更多的裸片），将使用PMOS晶体管进行上拉，否则，他们可以使用NMOS晶体管并降低驱动器的功耗一半以上。这为三星提供了一个单一的接口设计，该设计可以很好地适用于小型消费类SSD和大型企业驱动器，每个通道具有更多的裸片。（过去，三星已经在多芯片封装中添加了单独的重定时器芯片，这些芯片在相同的一个或两个通道上将许多NAND芯片堆叠在一起。

串堆叠：首款三层串堆叠NAND

串堆叠已被视为将3D NAND扩展到更高层数的必要手段。只有三星能够一次构建超过100层的3D NAND，并且其他所有人早就转而使用堆叠两个具有更合理层数的decks了。这意味着例如美光公司的176层3D NAND构建为88层存储单元，然后在其顶部再构建88层。与一次完成所有层相比，这会增加成本，并且需要在平台之间的接口处仔细对齐。但是另一种选择是使垂直通道更宽，以使纵横比（宽度与深度）保持在当前晶圆厂技术可以蚀刻的范围之内。

英特尔的144L QLC设计最令人惊讶的是它们已经转向了3层堆栈：48 + 48 + 48层，而不是我们期望的72 + 72。由于他们的前一代产品是48 + 48层（总共96L）设计，因此，除了第三次重复相同的沉积，蚀刻和填充步骤顺序外，他们对于存储器阵列本身的制造方式几乎没有什么改变。英特尔通过这种方法影响了工厂的吞吐量，但它可能有助于他们更好地控制从堆栈顶部到底部的通道和单元尺寸的变化，考虑到他们对QLC及其独特性的关注，这可能是一个更大的问题。决定仍然使用浮栅存储单元，而不是像其他所有人一样切换到电荷陷阱单元。

为了与这种三层结构配合使用，英特尔重新组织了它们处理擦除块的方式，现在三个平台中的每一个都构成了一个单独的擦除块集合。这意味着现在可以擦除144L字符串的中间三分之一，而不会干扰存储在该字符串的其他三分之二中的数据。英特尔还可以通过96L QLC将数据块按卡组划分，从而将96 MB的数据块大小减小到不太极端的48 MB数据块大小。

原厂NAND的执念——浦科特 M9P PLUS 系列SSD评测

前言

经常关注SSD市场的朋友们可能都有一个共同的想法：现在的SSD门槛是真的低，以群联为代表几个大型解决方案提供厂商包办了很多新入行品牌的方案。不过出于成本方面考虑，这些新兴厂商很少有采用原厂NAND的。好一点的会采用群联自封NAND，差一点的就各种白片黑片降级片都上来了。毫无疑问我们平时市面上见到的几种NAND，原厂NAND的品质是最好的。不过目前除了像三星、东芝、Intel、镁光这些自己本身就生产NAND的厂商以外，很少还有坚持使用原厂NAND来生产制作SSD的了。浦科特就是这为数不多的厂商之一。 浦科特这次发布的新品型号是M9P Plus系列。可能有些朋友会感到意外，不应该是M10系列了么？这次M9P Plus相对M9Pe只是一个小小的升级，而真正的M10这个序列是要留给PCI-E 4.0时代的。 目前M9P Plus已经在京东开始预售，512GB版本预售价格669元，10元预售定金可以抵50元，实际到手629元

外观

熟悉浦科特的朋友们应该都知道浦科特的NVME产品M.2裸盘版，M.2带散热片版，AIC插卡版。这次我们的512GB样品是M.2裸盘版，正式型号为PX-512M9PGN+ M9P Plus的外包装和之前的M9P系列基本一样，都是那涡轮引擎的图案，只不过左下角M9P下面的“e”变成了Plus

这次的M9P Plus系列针对不同用户一共准备了三款容量，256GB/512GB/1TB。根据官标参数512GB和1TB版本的性能基本一致

从盘体外观上看最明显的区别是M9P Plus的PCB换成了黑色，没有了以前绿色PCB的那种廉价感

标签终于贴到了没有NAND的背面，此处好评。想想当初多少人为了散热宁可不要保修也要把正面标签撕掉，厂商也是会站在消费者角度考虑的嘛

M9P Plus系列相比M9Pe的一项升级便是将SSD的主控从MARVELL 88SS1093升级为88SS1092

88SS1092和1093一样都是三核心ARM架构SOC，参数也相仿。最主要的区别在于88SS1092是针对企业和数据中心设计的更专业向的主控，支持的外置DRAM容量也更大一些

NAND方面是本次M9P Plus的另一个升级，东芝新版的NAND印字很浅，大家可能有点看不清。闪存是东芝原厂TH58LJT1T24BAEF，这是一款96层堆叠的3D TLC NAND，单颗256GB 8通道2CE，相比M9Pe系列的64层NAND有了一定的进步

DRAM是来自南亚的512MB LPDDR3颗粒

1TB的样品是AIC插卡版，正式型号为PX-1TM9PY+

包装也是相同风格

散热片的外观也和M9PeY保持一致，仿佛一颗红色的子弹侧向射入散热鳍片之中

从PCB背面的布线我们也可以看得出来，AIC版和以前的型号一样都是M.2加转接卡来实现的

顶部的信仰灯和RGB灯条

PCB板的布局和M9PeY没有什么区别

虽然这个AIC插卡版，但根据以往的经验内部的盘体和零售版以GN为后缀的产品应该是一样的。1TB的盘变成了单面设计，这样增加了笔记本以及部分小型主板的兼容性

1TB版本的的NAND为TH58LJT2T24BAEF，一样是8通道2CE，只不过容量扩大了一倍。同时DRAM也增加到了1GB

闲置情况下是呼吸闪烁

读写状态下是流光滚动

性能简测

Crystal Disk Info识别M9P Plus的型号，只不过Plus变成了真正的“加号”

用Crystal Disk Mark 6.0.2进行性能的简单测试

和官方参数标记的一样，512GB和1TB版本在CDM测试成绩上并没有多大的不同

在给512G的盘装入400G数据之后，成绩也没有什么变化，不必担心用多了会掉速

使用HDTUNE测试一下两张盘的SLC Cache

512GB版本的Cache大约在28GB左右，而1TB版本的Cache大约在56G左右。细心的朋友可能会发现一个问题，在Cache写满之后的TLC NAND直写过程中，512GB版本比1TB版本还要高一些，这与我们以往见过的情况相左。具体情况会在下面的进阶测试中进一步说明

进阶测试

离散度 下面我们来看一下M9P Plus在稳定态下的表现

这是一个我们平时很少见到的曲线。M9P Plus在巨大压力之下居然还会在短时间内恢复性能，虽然恢复之后马上又被打压下去过一段时间再次恢复，就在这种反复的上下挣扎之中进入稳定态。而并不是我们看到其他很多SSD的在过渡阶段之后进入的那种平缓柔和的稳定态。 SSD的固件最重要的作用是合理协调主控与NAND资源，在保证数据可以安全写入的前提下资源像哪方倾斜是固件优化的重点。这种积极甚至可以说是激进的GC策略是浦科特固件的一大特色

1TB版本的曲线和512GB基本相同，只不过需要耗费更久的时间才能进入稳定状态

顺序写入这边也有着类似的情况，M9P Plus始终尝试这恢复性能，只不过在高压情况下一次次地被打压下来。

与此同时我们可以清楚的看到和上面HDTUNE测试同样出现的不寻常现象——512GB的TLC NAND直写比1TB高。 512GB的TLC NAND直写在600~700MB/S之间，而1TB的TLC NAND直写仅有500~600MB/S之间 这是因为512GB和1TB版本虽然NAND容量不同，但都采用了两颗8通道2CE的NAND FLASH。换句话说1TB版本的NAND的CH/CE总数并没有比512GB多。不仅如此，由于容量增大造成FTL表也跟着增长，这样反倒拖累了NAND直写速度。所以M9P Plus的1TB NAND直写要稍稍弱于512GB版本IOPS测试 这部分测试中请来了M9P Plus的同门师兄M9Pe

在测试线程数ThreadCount=1时，无论是4K读取还是写入M9P Plus和M9Pe成绩都差不多

但当测试线程数ThreadCount提升到4的时候，双方逐渐拉开了距离

当ThreadCount=8的时候差距更加明显

在上面的测试中可以发现M9P Plus在4K随机读取Q8T8的测试中有一个非常明显的下跌，下面这个图表会看得更清楚一些

不仅仅在Q8T8，在Q16T4和Q4T16这几种基本等效QD64的深度组合中都存在4K随机读取异常偏低的情况。写入方面表现正常

浦科特的出厂随机性能验证是以Q32T4为基准的，而在这个标准下M9P plus的随机性能的确可以达到出厂的标称值。我在以往的SSD评测中层反复提到过，以AS SSD 和CDM6.0X为代表的一些SSD快捷测试工具都是以Q8T8（QD64）作为默认设置的，很多SSD也在此方面进行了专门有针对性的“优化”，比如群联在这方面做的就多。浦科特在固件中并没有对Q8T8做针对性优化导致了M9P Plus在这些快捷测试工具中得分较低。 我对这些快捷测试工具的评判标准不做评价，但不可否认简单便捷的他们有着巨大的受众群体。没有针对这方面进行优化，会让这些群体认为你不行，这样是非常吃亏的。 在温度方面M9P Plus相比其师兄有了不小的进步，靠主板上那种单条的M.2散热片即可轻松压住。而AIC插卡版的M9PY+则更是非常凉快

总结

这次的M9P Plus在性能方面相对于M9Pe可以说是一个小小地升级，也怪不得型号仅仅是一个Plus而不是M10P，不过在其他细节方面的改变还是足够称道的：

全新的SLC Cache策略

SLC Cache容量偏小曾经的M9Pe系列的一个主要的槽点，而M9P Plus采用了动态Cache策略，缓存容量是M9Pe的数倍。当然这个缓存容量会随着可用空间的降低而逐渐减少，不过即使在470G的总空间占用400G的时候依然可以保持这10GB左右的缓存大小

更佳的温度控制

硬件上升级为东芝96Layer 3D NAND和Marvell 88SS1092主控之后，M9P Plus的运行温度得到了很大程度的改善。同为M.2版本在相同的环境下测试的结果领先M9Pe系列很多

掉电保护的另一种实现形式

关于这一点，我很难通过测试图表来直观的展现。现在的主流高性能SSD都配备有DRAM作为缓存来提高性能，但是DRAM的特性便是掉电即丢数据。为了解决这个问题，企业级产品通常会配备大容量电容器以便在意外掉电之后还能提供少量电力来供SSD将DRAM里的数据回写入NAND之中。而消费级往往没有这种硬件配备，特别是2280规格的M.2盘体上更是没有空间来做这些掉电保护电容。 浦科特的在固件做了一些处理来间接的实现这一功能，M9P Plus平时就会十分积极的将DRAM中的数据回写至NAND。这样虽然不能像硬件掉电保护系统那样做到100%万无一失，但也可以很大程度上为数据安全和数据完整性提供帮助。当然这种策略所带来的负面效应就是DRAM不能全心全意的为跑分而服务，这也是M9P Plus在跑分方面无法和部分群联主控产品相比的原因之一。不过数据安全和跑分哪个更重要，我相信大家心里都清楚吧 现在这个年代，还坚持使用原厂NAND做SSD的厂商不多见了。浦科特还能始终坚持他们的初心，仅凭这一点就是值得赞赏的。希望以后浦科特也能继续坚持原厂NAND，我们有理由期待基于PCIE4.0的M10P系列真正到来的那一天

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