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nand闪存通道闪存结构全解：固态硬盘小白晋升大师之路

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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闪存结构全解：固态硬盘小白晋升大师之路

正所谓"外行看热闹，内行看门道"，很多朋友搜寻一款固态硬盘的信息主要看性能跑分，而知识更加丰富的玩家则会重点关注这款固态硬盘的硬件架构，闪存规格以及主控、固件的口碑。毕竟除了跑分，还有很多因素影响着固态硬盘到底是否好用。

今天存储极客就将带你深入到固态硬盘以及闪存的基础知识当中，带你看懂行业"黑话"，不再一脸懵逼。

Channel：通道

提到一个固态硬盘的通道数量，多数时候说的是闪存通道，但M.2 NVMe固态硬盘会有PCIE通道的参数。我们这里谈的是前者。

闪存通道数量直接反映了固态硬盘的并发读写能力。可以简单理解为马路上有多少条车道，显然通道数量越多，理论性能越好。当然，还有很多影响因素，通道数量只是一个底子。

CE：片选信号

紧跟闪存通道之后的往往就是CE数量。经常可以在一些固态硬盘评测中看到这样的介绍，某某主控支持X通道，每通道支持Y CE。CE是Chip Enable片选的缩写，下图是一个东芝闪存颗粒的逻辑结构，2 Die封装，拥有两个CE信号。

除了通道可以并行提升吞吐量之外，多CE交错也可以提高固态硬盘性能。主控的闪存通道以及每通道支持的CE数量还会影响它最终能够提供多大的固态硬盘容量。

Package：封装

我们能够看到的一颗闪存就是一个Package封装，它有TSOP或者BGA两种形态，前者的引脚在封装两侧引出，后者则在封装的底部拥有一个球栅阵列。下图是东芝TR200固态硬盘中使用的TSOP封装闪存颗粒。TSOP和BGA本身没有好坏之分，通常在空间足够的情况下使用TSOP，而M.2固态硬盘则大都选择封装密度更高的BGA形态。BGA封装还有一个优势：每个颗粒能支持2个甚至4个闪存通道，而TSOP只能支持1个。

我们在上边看到的黑色颗粒并不是闪存的本来面目，那只是一到多个芯片通过引线键合或者TSV硅通孔工艺完成连接之后，再用树脂材料封装并引出针脚。而芯片则是从闪存晶圆中摘下的一小片合格晶粒。

俗称的原片就是由原厂检测并封装、打上原厂商标的高品质颗粒，原厂固态硬盘，比如上面提到的东芝TR200当中使用的就是这种类型的闪存。而白片则是未经原厂认证的不明体制闪存芯片封装成的闪存颗粒；黑片是在检测中明确被淘汰的下脚料，被利益熏心的人低价回收后赌人品。

Die：这里并不是死的意思

Die也被称作LUN（逻辑单元），也是闪存内可执行命令并回报自身状态的最小独立单元。下图是由4个Plane组成两个Die，两个die组成的芯片。

单Die容量是衡量闪存技术先进性的一个指标。单Die容量越大意味着闪存存储密度越高，做出来的固态硬盘容量也就越大。目前东芝第三代3D TLC闪存已经实现512Gb的单Die容量，如果是QLC类型，则能达到768Gb的水平。

Plane：面

一个闪存Die可以拥有1到多个Plane面。下图是东芝BiCS3闪存的一个512Gb Die，包含了两个256Gb容量的Plane面，总容量512Gb。

Block：块

接下来就到了微观领域，通常是无法直接看到外观的层级。NAND闪存自问世那一刻起就有一个恒定不变的使用要求：写入（Program）数据前必须先进行擦除（Erase），而闪存的最小擦除单位就是Block块。

Page：页

每个Block都是由数百乃是数千个Page页组成的，而Page的意义也非比寻常，它是闪存当中能够读取合写入的最小单位。当前闪存的一个Page通常是16KB，如果你需要读取512字节的数据，那在闪存层面上就必须把包含这512字节数据的整个Page页内容全部读出（实际发生的读取16KB）。

Cell：单元

每个16KB的Page页又是由大量的Cell单元构成。Cell是闪存的最小工作单位，执行数据存储的任务。闪存根据每个单元内可存储的数据量分成SLC（1bit/Cell）、MLC（2bit/Cell）、TLC（3bit/Cell）和QLC（4bit/Cell），成本依次降低，容量依次增大，耐用度也依次降低。目前3D TLC是闪存的主力类型，优质的原厂闪存配合具备LDPC纠错的主控，可以实现3000次左右的擦写寿命，与过去2D平面MLC闪存接近。

篇幅所限，本文中只能简单介绍闪存的知识，更多内容敬请收藏并关注存储极客的头条号。

三星量产第五代V-NAND闪存：90层堆栈，QLC闪存在路上

2018年各大NAND厂商都已经大规模量产了64层堆栈的3D NAND闪存，以TLC闪存为主，下一代闪存的堆栈层数要继续提升50%达到96层级别。三星今天宣布量产第五代V-NAND闪存，业界首发Toggle DDR 4.0接口，速率达到了1.4Gbps，堆栈层数超过90层。此外，三星还准备推出1Tb核心容量以及QLC结构的V-NAND闪存。

三星的V-NAND是3D NAND闪存中的一种，目前主力生产的是第四代V-NAND，堆栈层数64层，现在量产的是第五代V-NAND闪存，核心容量256Gb并不算高，但是各项指标很强大，它首发支持Toggle DDR 4.0接口，传输速度达到了1.4Gbps，相比64层堆栈的V-NAND闪存提升了40%。

第五代V-NAND闪存的性能、功耗也进一步优化，工作电压从1.8V降至1.2V，同时写入速度也是目前最快的，只有500us，比上一代闪存提升了30%，读取信号的响应时间也缩短到了50us。

三星的第五代V-NAND闪存内部堆栈了超过90层CTF Cell单元，是目前堆栈层数最高的，这些存储单元通过微通道孔洞连接，每个孔洞只有几百纳米宽，总计包含超过850亿个CTF单元，每个单元可以存储三位数据（这是TLC闪存）。

此外，第五代V-NAND闪存在制造工艺上也做了优化，制造生产效率提升了30%，先进的工艺使得每个闪存单元的高度降低了20%，减少了单位之间的窜扰，提高了数据处理的效率。

除了第五代V-NAND闪存之外，三星还在扩展V-NAND闪存，准备推出核心容量高达1Tb的NAND闪存及QLC类型的闪存，继续推动下一代闪存发展。

三星目前正在加大第五代V-NAND闪存的量产，以便满足高密度存储领域——超算、企业服务器及移动市场的需求。