浅谈3D-NAND、QLC和SCM介质技术和新产品

Hardy 架构师技术联盟

NAND Flash技术的发展完全沿着技术演进、商业价值和需求匹配的车辙在不断行驶。诸如SRAM，DRAM，EEPROM等 产品和技术。在每个存储器单元存储一位的二进制数据的NAND Flash 技术被称为单级单元(SLC)。但是由于SLC在容量和价格等原因，促使MLC、eMLC及TLC这三种闪存颗粒 迅速发展起来，关于Flash颗粒介绍请参考文章“闪存技术最全面解析”。

NAND Flash在应用普及和全面替换HDD遇到最直接的一个问题还是价格，从SLC、MLC到TLC一直才寻求价格的平衡点，尽管TLC能够解决SSD容量瓶颈，却还是不能完全解决SSD价格的难题。大容量SSD仍旧昂贵，小容量SSD+大容量便宜HDD的混合存储解决方案也层出不穷，但在体验上终究没有单纯大容量SSD来得好。目前来看，TLC还是相对来说在性能和价格方面平衡不错的方案，再说随着容量的增加、技术的改善，TLC闪存的擦写次数逐渐等到优化，也并没有想象中那么容易失效 。

结合实际应用发现，SSD在处理数据写入时，每次都写到新的物理地址，从而使得所有的闪存物理空间被均匀使用。假设一块600GB的SSD，其闪存介质写次数为1万次，那么该SSD可以写入的数据总量达到6PB(600GB*10000)；在实际企业级环境中的硬盘，整个生命周期的写入数据总量远小于200TB，这意味着这块600GB的SSD使用10年以上。

技术永远无法脱离实际应用，TLC颗粒在3D-NAND Flash的产品应用非常广泛，先后出现了32，64，72，96层的基于TLC的3D NAND Flash产品 ，起初这些TLC产品只要应用在消费级产品，但目前很多存储厂商已经把TLC颗粒引入企业级存储产品。下面我们看看主流3D-NAND Flash厂商(三星、东芝、WD和SK Hynix 四大厂商)的新产品和动态。

东芝(Toshiba)携手SanDisk 研发出全球首款采用堆栈 96 层制程技术的TLC 3D NAND Flash 产品，且已完成产品试作。该款堆栈 96 层的 3D NAND试制品单颗芯片容量为 256Gb(32GB)，预计于 2017 年下半年送样、2018 年开始进行量产，主要用来抢攻数据中心用 SSD和PC桌面SSD等市场。

三星在 3D NAND Flash一直处于领先地位，在去年就发布64 层 3D NAND 。但前不久SK Hynix 推出第四代 72 层的 3D NAND 进入量产，主要用于行动设备，并已交货给客户。韩国对3D NAND Flash技术和市场的控制力是不容忽视的。

Intel发布了新一代SATA SSD 545s产品 ，采用64层堆叠闪存的SSD取代去年的SSD 540s，当时Intel自己的3D堆叠闪存技术还不成熟，所以采用了SK海力士的16nm TLC和慧荣主控SM2258。SSD 545s采用的是Intel第二代3D TLC闪存颗粒(Intel的第一代3D闪存是32层堆叠)，64层堆叠设计，具有浮动栅极存储单元，单颗容量256Gb(32GB)。SSD 545s的主控采用了升级版慧荣主控SM2259，加入了对端到端数据保护和ECC的支持(主控SRAM和外部DRAM均有)，同时搭配Intel定制固件 。支持每天0.3次全盘写入，终生写入量288TB。

为了延长SSD磨损寿命，多数厂商提供容量超配 。例如一块100GB容量的SSD，其内部的闪存颗粒的物理容量是大于100GB，企业级SSD一般可以达到128G或者更多，超出的那部分就被称为冗余。或者采用较好的部件，如更好的颗粒、更好的控制芯片 ，提供强力的LDPC纠错算法等 ，但是SSD寿命并非单纯取决于闪存的类型，而是多个因素综合作用的结果。

闪存介质中，保存数据的基本单元被称为Cell。每个Cell通过注入、释放电子来记录不同的数据。电子在Cell中进出，会对Cell产生磨损；随着磨损程度的增加 ，Cell中的电子出现逃逸的概率会不断增加，进而导致Cell所保存的数据出现跳变。例如某个Cell最开始保存的二进制数据是10，一段时间后再读取该Cell，二进制数据可能就变成了11。因为闪存中保存的数据有一定的概率出现跳变，因此需要配合ECC算法(Error Correcting Code)来使用，SSD内部需要有ECC引擎进行数据检错和纠错 。

写入SSD颗粒数据时，ECC引擎基于原始数据计算出冗余数据，并将原始数据和冗余数据同时保存 。从SSD读取数据时，原始数据和冗余数据一并被读出，并通过ECC引擎检查错误并纠正错误，最终得到正确的原始数据。

闪存所保存的数据出现跳变的数量，随着擦写次数的增加而增加 。当擦写次数达到一定的阈值后，闪存中保存的数据出现跳变的数量会增大到ECC引擎无法纠正的程度，进而导致数据无法被读出。这个阈值就是闪存的最大擦写次数 。

在SSD领域，当前标准的ECC算法是BCH算法(以三位作者的名字首字母命名)，可以满足绝大多数SSD的纠错需求。大多数产品中，闪存介质所宣称的最大擦写次数，就是基于BCH算法来给出 的，但是BCH算法的纠错数据位比较有限，所以目前纠错能力更强的算法也被应用，如LDPC(Low Density Parity Check Code) 是一个纠错能力很强的算法，可以纠正更多的数据跳变。

SLC、MLC及TLC这三种闪存芯片，大家都很清楚，但接下来QLC闪存芯片要开启它的逆袭之路，而东芝和西数已经率先做出表率 ，目前主要针对智能型手机(如iPhone等)、平板计算机和记忆卡市场。

东芝今后也计划推出采用堆栈 96 层制程技术的 512Gb(64GB)3D NAND 产品以及采用全球首见的QLC(Quad-Level Cell)技术的 3D NAND 产品 。该款QLC试作品为采用堆栈 64 层制程技术，实现业界最大容量的 768Gb(96GB)产品，已经提供给 SSD 厂、控制器厂进行研发使用。

西数全球首发了96层堆栈的3D NAND闪存，其使用的是新一代BiCS 4技术(预计下半年出样，2018年开始量产)，除了TLC类型外，其还会支持QLC ，这个意义是重大的。西数已经用实际行动表明会支持QLC，而接下来三星、Intel、SK Hynix等厂商也势必会跟进(目前还没有正式公布QLC的进展)，为何厂商会跟进可靠性、寿命比TLC还差的QLC 。

目前来看，QLC闪存单位存储密度是TLC的2倍，单颗芯片可达到256GB甚至512GB。但是QLC闪存的电压更难控制，写入速度更低，可靠、稳定性及寿命比TLC更差。个人觉得主要的原因是成本和闪存对寿命SSD的不断优化，随着SSD控制对QLC技术优化，也有理由相信QLC跟TLC走同样的路，也有可能被用在企业产品 。

从长远来看，能不能将SSD的价格拉下来，我个人对QLC是寄予厚望的，但具体时间目前却无法预知，从TLC到QLC的技术过度 需要时间，需要双倍的精度才能确保足够高的稳定性、寿命和性能。如果参考TLC的历程，价格优势更难在短期内体现出来，QLC大批量上市并且明显带动降价节奏的时间也是我所期待的。

对于存储介质的未来除了NAND Flash外，还要有很多技术值得期待。 SCM( Storage -Class-Memory)产品已经出现在大众视野 ，如美光、英特尔自2016年开始量产的3D-Xpoint ，威腾、东芝合作开发的3D-ReRAM 。SCM的读写速度是3D-NAND的千倍，但在产品测试结果显示只有几十倍，这也说明SCM在读写性能上还有较大的提升空间值得期待。然而3D-NAND+类DRAM混合型的4D-NAND集前端高速度DRAM和后端低价大容量的3D-NAND于一身，也将会在容量和性能中找到一个很好的折中点。

2022成为NAND Flash闪存抢跑之年，谁将成新王者？

【全球存储观察 | 每日看点】 NAND盖楼大赛从未停止过，并且在芯片短缺的当下愈演愈烈。

这不，三星电子将在2022年底推出200层以上的第8代NAND闪存。

你方唱罢我登场！三星电子将在128层的单片存储器上叠加96层，推出224层的NAND闪存。与上一代176层NAND产品相比，224层NAND闪存可以将生产效率和数据传输速度将提高30%。

三星电子原计划在2021年末开始量产176层NAND，但考虑到市场情况，推迟到2022年第一季度。

此外，美光科技已经早抢先了一招，176层NAND开始量产出货了。

业内人士预测，三星电子将加快200层以上NAND闪存量产的步伐，以夺回技术领先地位。但是这个预测却并不令人乐观，原因很简单，大家都在抢跑，就看谁的研发创新的体力更好罢了。

其实，在NAND领域的竞争，不仅三星电子与美光科技看重，同时，包括三星、美光、Intel、SK海力士、东芝、西部数据（SanDisk）等 在内的所有全球闪存颗粒顶级厂商都看重3D NAND产品创新。

比如SK Hynx的4D NAND采用了电荷捕获型（Charge Trap Flash，CTF）的闪存技术，首创电荷捕获型CTF技术与Peri Under Cell(PUC)技术结合，不过，SK Hynix宣称的4D NAND Flash，本质上仍是3D NAND Flash，命名4D只是强化商业营销的一种手段。

CTF技术可减少记忆单元(cell)间的干扰，解决2D NAND使用浮栅(Floating Gate,FG)技术遭遇的限制。PUC本是Peri排线技术，可以缩小产品本身的体积，自然就实现了节省生产成本的目的。所以4D NAND Flash的宣称也是事出有因的。

当然对于SK Hynix来说，已经使用了电荷捕获型（CTF）技术设计好几年了，所以它不是新的技术采用，之前Micron和Intel是主要是两个使用浮栅FG技术的NAND闪存制造商。此外，Intel独创的傲腾技术路线，也已经赢得了全球市场，这里不得不让众多闪存友商所艳羡。

需要指出的目前美光将使用自己的栅极替换工艺Replacement-gate技术，业内专家指出，这也是Charge Trap Flash（CTF）技术设计。与此同时，更有意思的是，三星的Gate-last工艺也包含了栅极替换工艺Replacement-gate的技术。

从3D NAND技术架构来看，现在3D NAND常见的分为VC垂直通道、VG垂直栅极两种架构。架构不同，对于3D NAND的可靠性设计略有一点区别，但闪存的本质是没有区别的。因为毕竟是采用堆栈来扩大单位面积上的闪存容量大小的，目前业界知名的闪存厂商采用了NAND堆栈层数越多，对于闪存可靠性要求的挑战越高。

不过，2022将成为NAND Flash疯狂抢跑之年，三星、美光、Intel、SK海力士、东芝、西部数据谁将成王者？我们拭目以待。

（by Aming）

- END-

你

怎

么

看

？

欢迎文末评论补充！

【全球存储观察 | 科技明说】 专注科技公司分析，用数据说话，带你看懂科技。本文和作者回复仅代表个人观点，不构成任何投资建议。

相关问答

在Flash中,你可以使用`File`类来给文件夹起名字。首先,你需要创建一个`File`对象,指定文件夹的路径。然后,使用`renameTo()`方法来重命名文件夹。例如,假设...

[最佳回答]FLASH常用的声音模式有三种:1、动作调用.预先将声音导入到库,并命名,再用AC脚本语言调用.使用这种方法可以较为灵活的控制音乐.比如用按钮触发音乐,...

链接下一场景你要为场景命名然后写上:on(press){gotoAndPlay("场景名称",1);}后面这个1就是那个场景的第一帧如果是第二帧就写2。下一场景如果是需要停止的话...

C...(1)表示产品状态,共有MX,XC,PC,KMC,KXC等5种。其中MC表示完全合格品;XC表示部分合格品,没有质量保证,用于性能评估的器件;PC表示工程测试品;KMC,KXC则表...

当然可以,你可以给每个场景命名(当然也可以不命名,就让他为场景1\2\3)1\如果你不想通过按钮控制场景播放,可以通过如下方法操作:按SHIFT+F2,打开场景修改对话...

场景上放一个命名mc的影片剪辑然后在需要的地方写,写在帧上,或者写在按钮事件中。mc.loadMovie("2.swf")2.swf就加载到mc中了。场景上放一个命名mc...

Flash可以通过给按钮命名的方式来跳转到下一个场景。具体可以按以下公式1.设置按钮名称:首先,需要选择想要设置的按钮,然后在属性中找到'实例名称'并填写你想...

PS,FL,DW这个三个被称为“新网络三剑客”只是为这个组合取的临时命名,非官方命名!之所以称之为三剑客,很大一部分是因为这三种软件能相互无缝合作。现在,制...

[回答]●SSD(solidstatedisk)固态硬盘目前的硬盘(ATA或SATA)都是磁碟型的,数据就储存在磁碟扇区里,固态硬盘数据就储存在芯片里.SSD由控制...目...

日本人发明的东西太多了,且大部分都是实用有趣的,而且影响深远。今天我来分享一些关于日本的实用有趣的发明。那日本究竟有哪些实用有趣的发明呢?1:二维码...