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逻辑语句nand 我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

发布时间 : 2024-11-25

作者 : 小编

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我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

【IT168 评论】无论消费者还是企业机构，大多数人在谈到闪存时，首先想到的就是NAND闪存。从一定的现实意义上来讲，NAND闪存可以说已经成为固态硬盘的代名词。基于块寻址结构和高密度，使其成为磁盘的完美替代品。

　　NOR闪存是另一种与NAND不同的闪存类型，它具有不同的设计拓扑结构，某些特定的应用场景下更为适合。在比较NAND和NOR闪存在不同应用中的相对优势和适用性之前，检查其结构差异是很重要的。

　　NAND闪存产品是当今已经达到高水准的存储芯片，是当前市面上嵌入式以及独立式SSD的主要原材料。多层单元(MLC)技术和3D制造工艺的结合，将NAND存储单元垂直蚀刻到硅衬底上，使存储密度和NAND芯片容量呈几何级增长。

　　NAND与NOR电路基础

　　尽管NAND闪存是这两种非易失性内存技术中相对流行的一种，但NAND和NOR都是由同一名东芝公司的工程师在上世纪80年代中期发明的。要理解这两个种类的区别和命名，需要简要回顾一下逻辑门的基础知识。

　　NAND和NOR分别涉及到布尔逻辑函数中的逻辑“和”（and）以及“或”（or）。如下所示，NAND和NOR都生成响应两个二进制输入的输出。

响应两个二进制输入的NAND和NOR输出

　　NAND和NOR逻辑门仅仅为它们各自的功能实现了上面这个真值表。

　　NAND门在概念上是作为AND门实现的——当两个输入都是1时输出1——后面跟着一个NOT门，这是一个逻辑反转。相应的，NOR门在概念上是一个OR门——有任何一个输入是1时输出1，然后是NOT门，这是一个逻辑倒装。

　　布尔逻辑的背景对于理解NAND和NOR闪存至关重要，因为闪存单元被连接到一个行和列的数组中。在NAND闪存中，一组中的所有单元(通常是一个字节的倍数，取决于芯片的大小)共享一条位线，并以串行方式连接每个单元，每个单元连接到一个单独的字行。同一字行连接一个内存块中的多个字节，通常为4 KB到16 KB。因此，只有当所有的字线都是高或单状态时，位线才会降低或变为零状态，这实际上将内存组转换为一个多输入NAND门。

　　与此相反，NOR闪存并行组织位线的方式是，当位线和字线都处于低或零状态时，内存单元只保持高或单状态。

　　NAND单元的串联结构使得它们可以通过导电层(或掺杂层)连接在衬底上，而不需要外部接触，从而显著减少了其横截面积。

　　NAND闪存单元的串联连接意味着它们不需要单元之间通过金属层进行外部接触——而这正是NOR拓扑结构所需的。使用导电层连接硅衬底上的单元意味着NAND闪存的密度通常比NOR高两个数量级，或100倍。此外，组内单元的串联连接使它们可以垂直地堆积在3D数组中，位线类似于垂直管道。

　　相反，由于NOR闪存单元不能单独寻址，因此它们对于随机访问应用程序更快。

　　NAND与NOR产品类型

　　这两种类型的闪存具有明显的特性和性能差异，它们有各自最适合的应用程序类型。除了容量外，NAND和NOR闪存还具有不同的运行、性能和成本特性，如下图所示。

　　这两种闪存中也有几种不同的产品类型，它们在I/O接口、写入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

　　NAND闪存产品类型

　　NAND闪存以单层（SLC）、多层（MLC）、三层（TLC）或四层（QLC）的形式在每个单元（cell）中存储bit，分别为1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要确定哪种类型的NAND最适合于工作负载，简单来说，每个单元的位数越高，其容量就越大——当然，是以数据持久性和稳定性为代价的。

　　NAND设备只是没有任何外围电路的存储芯片，这些外围电路使NAND闪存可以在SSD、U盘或其他存储设备中使用。相比之下，托管型NAND产品嵌入了一个内存控制器来处理必要的功能，比如磨损调平、坏块管理(从使用中消除非功能性内存块)和数据冗余。

　　NOR闪存产品类型

　　串行设备通过只暴露少量(通常是1到8个)I/O信号来减少包的pin数。对于需要快速连续读取的应用程序来说，这是理想的选择。NOR闪存通常用于瘦客户机、机顶盒、打印机和驱动器控制器。

　　并行NOR产品暴露多个字节，而且通常使用内存页而不是单独的字节进行操作，更适用于启动代码和高容量应用程序，包括数码单反相机、存储卡和电话。

　　两种闪存都是不可或缺的

　　NAND是闪存的主力，广泛用于嵌入式系统和SSD等存储设备的大容量数据存储。不过，NOR 闪存在存储可执行的启动代码和需要频繁随机读取小数据集的应用程序方面起着关键作用。显然，这两种类型的闪存将继续在计算机、网络和存储系统的设计中发挥作用。

　　原文作者：Kurt Marko

2023年NAND发展概况：层数增加，QLC改进

对于NAND闪存存储来说，2023年可谓过山车般跌宕起伏的一年。随着周期性衰退的结束，闪存出货量先是下降，而后又快速恢复。供应开始通过扩展3D层数和QLC闪存来提高成本效益，但PLC及其他更激进的每单位高bits闪存却令人失望。

2023年伊始，一众NAND制造商因供应过剩、需求疲软而收入低迷。但随着产量削减和客户逐渐耗尽现有库存，市场需求又开始再度攀升。

NAND代工制造商通过进一步提升3D NAND层数来打造更高容量的闪存芯片，借此降低了每GB闪存生产成本。因此在2023年中，我们见证了这波从218层起步的闪存层数升级。

三月：SK海力士在会议上发表了300层以上NAND技术论文，铠侠与西部数据也拿出了自家218层NAND。五月：美光打造出232层QLC SSD。八月：SK海力士推出321层NAND，三星推出300层NAND，随后又公布430层方案。十一月：长江存储率先出货232层QLC NAND。十二月：美光推出232层工作站SSD。

美光232层NAND示意图。

各大厂商均开始单独制造NAND控制逻辑，并将其放置在芯片的底部或顶部。

标准SSD使用TLC（三层单元）闪存，但SK海力士子公司Solidigm和长江存储等厂商则专注于开发QLC（四层单元）NAND，并通过超额单元配置和更好的写入周期管理功能来补偿QLC较低的写入周期寿命。

DDN、NetApp和VAST Data等存储阵列供应商利用QLC闪存以更低的每TB成本带来更高的全闪存阵列容量，这也让SSD阵营能够更好地与磁盘驱动器阵列展开竞争。

继2022年的尝试之后，今年各大闪存厂商都没有发布关于五层单元（每单元5 bits）乃至更进一步的技术公告。这样的层数设计似乎缺乏现实意义，因为6层和7层技术需要配合低温冷却，且写入寿命和读取速度也会随之下降。

这一年中，SSD存储容量有所增长，超过了磁盘驱动器容量，其中Solidigm处于领先地位。作为SK海力士的子公司，Solidigm推出了采用QLC闪存的61.44 TB D5-P5336 SSD产品。相比之下，其他SSD厂商的最大驱动器容量也仅在30 TB上下。但无论如何，这样的容量水平也仍然领先于磁盘驱动器。截至2023年底，采用传统记录技术的磁盘驱动器容量仅为24 TB，而通过牺牲写入速度换取容量的叠瓦记录技术也不过将容量提升至28 TB（来自西部数据）。而且在2024年内，我们可能会看到来自其他厂商以及Solidigm的更多60+ TB SSD。

采用EDSFF E1.S外形设计的Solidigim D5-P5336 SSD。

EDSFF外形尺寸开始出现，但其流行程度还不足以取代经典的M.2（口香糖式）与U.2（2.5英寸托架式）外形。

此前西部数据则有意收购或兼并其NAND合资伙伴铠侠，但最终未能顺利完成。作为通过贝恩财团对铠侠进行投资的出资方，SK海力士对这项并购计划表达了强烈反对。

西部数据今年计划将其磁盘驱动器与NAND晶圆代工/SSD业务拆分开来。

来自中国的长江存储在这一年中成功克服了美国的技术出口障碍，生产出232层NAND。如果能够延续这波良好势头，那么2024年内与铠侠和西部数据一道发布300层以上NAND技术也在情理之中。目前，铠侠与西部数据的BiCS 8技术已经达到218层的水平，但三方均落后于美光、三星和SK海力士。而如果不出意外，铠侠和西部数据在2024年内应该会公布BiCS 9 NAND计划并成功突破300层大关。

我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

2023年NAND发展概况：层数增加，QLC改进

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