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nand写不进 NAND和NOR flash的区别

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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NAND和NOR flash的区别

NOR和NAND是现在市场上两种主要的非易失闪存技术。Intel于1988年首先开发出NOR flash技术，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。紧接着，1989年，东芝公司发表了NAND flash结构，强调降低每比特的成本，更高的性能，并且象磁盘一样可以通过接口轻松升级。但是经过了十多年之后，仍然有相当多的硬件工程师分不清NOR和NAND闪存。　　相“flash存储器”经常可以与相“NOR存储器”互换使用。许多业内人士也搞不清楚NAND闪存技术相对于NOR技术的优越之处，因为大多数情况下闪存只是用来存储少量的代码，这时NOR闪存更适合一些。而NAND则是高数据存储密度的理想解决方案。　　NOR的特点是芯片内执行(XIP, eXecute In Place)，这样应用程序可以直接在flash闪存内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1～4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。　　NAND结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于flash的管理和需要特殊的系统接口。性能比较　　flash闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何flash器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。　　由于擦除NOR器件时是以64～128KB的块进行的，执行一个写入/擦除操作的时间为5s，与此相反，擦除NAND器件是以8～32KB的块进行的，执行相同的操作最多只需要4ms。　　执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NADN之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，设计师必须权衡以下的各项因素。　　● NOR的读速度比NAND稍快一些。　　● NAND的写入速度比NOR快很多。　　● NAND的4ms擦除速度远比NOR的5s快。　　● 大多数写入操作需要先进行擦除操作。　　● NAND的擦除单元更小，相应的擦除电路更少。接口差别　　NOR flash带有SRAM接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内部的每一个字节。　　NAND器件使用复杂的I/O口来串行地存取数据，各个产品或厂商的方法可能各不相同。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。　　NAND读和写操作采用512字节的块，这一点有点像硬盘管理此类操作，很自然地，基于NAND的存储器就可以取代硬盘或其他块设备。容量和成本　　NAND flash的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，由于生产过程更为简单，NAND结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。　　NOR flash占据了容量为1～16MB闪存市场的大部分，而NAND flash只是用在8～128MB的产品当中，这也说明NOR主要应用在代码存储介质中，NAND适合于数据存储，NAND在CompactFlash、Secure Digital、PC Cards和MMC存储卡市场上所占份额最大。可靠性和耐用性　　采用flahs介质时一个需要重点考虑的问题是可靠性。对于需要扩展MTBF的系统来说，Flash是非常合适的存储方案。可以从寿命(耐用性)、位交换和坏块处理三个方面来比较NOR和NAND的可靠性。　　寿命(耐用性)　　在NAND闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而NOR的擦写次数是十万次。NAND存储器除了具有10比1的块擦除周期优势，典型的NAND块尺寸要比NOR器件小8倍，每个NAND存储器块在给定的时间内的删除次数要少一些。　　位交换　　所有flash器件都受位交换现象的困扰。在某些情况下(很少见，NAND发生的次数要比NOR多)，一个比特位会发生反转或被报告反转了。　　一位的变化可能不很明显，但是如果发生在一个关键文件上，这个小小的故障可能导致系统停机。如果只是报告有问题，多读几次就可能解决了。　　当然，如果这个位真的改变了，就必须采用错误探测/错误更正(EDC/ECC)算法。位反转的问题更多见于NAND闪存，NAND的供应商建议使用NAND闪存的时候，同时使用EDC/ECC算法。　　这个问题对于用NAND存储多媒体信息时倒不是致命的。当然，如果用本地存储设备来存储操作系统、配置文件或其他敏感信息时，必须使用EDC/ECC系统以确保可靠性。　　坏块处理　　NAND器件中的坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。　　NAND器件需要对介质进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。在已制成的器件中，如果通过可靠的方法不能进行这项处理，将导致高故障率。易于使用　　可以非常直接地使用基于NOR的闪存，可以像其他存储器那样连接，并可以在上面直接运行代码。　　由于需要I/O接口，NAND要复杂得多。各种NAND器件的存取方法因厂家而异。　　在使用NAND器件时，必须先写入驱动程序，才能继续执行其他操作。向NAND器件写入信息需要相当的技巧，因为设计师绝不能向坏块写入，这就意味着在NAND器件上自始至终都必须进行虚拟映射。软件支持　　当讨论软件支持的时候，应该区别基本的读/写/擦操作和高一级的用于磁盘仿真和闪存管理算法的软件，包括性能优化。　　在NOR器件上运行代码不需要任何的软件支持，在NAND器件上进行同样操作时，通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序(MTD)，NAND和NOR器件在进行写入和擦除操作时都需要MTD。　　使用NOR器件时所需要的MTD要相对少一些，许多厂商都提供用于NOR器件的更高级软件，这其中包括M-System的TrueFFS驱动，该驱动被Wind River System、Microsoft、QNX Software System、Symbian和Intel等厂商所采用。　　驱动还用于对DiskOnChip产品进行仿真和NAND闪存的管理，包括纠错、坏块处理和损耗平衡。

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。

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