一文让你看懂三星第五代V-NAND技术

转自 天极网

今年1月底，三星电子又发大招，推出采用第五代V-NAND技术的SSD产品——三星970 EVO Plus SSD。事实上，随着新一代3D NAND技术的不断成熟，速度更快的NVMe协议的SSD固态硬盘已经成为市场主流。

以前，我们见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存，3D闪存则是立体堆叠的。打个比方，如果说普通NAND是平房，那么3D NAND则是高楼大厦。简单说，在3D NAND领域，谁堆叠的层数多，谁的产品性能就更先进。

众所周知，平面NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，而且为进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺不断进步。虽然更先进的制程工艺带来了更大的容量，但容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降。

与之相比，为提高NAND的容量、降低成本，存储厂商只需要堆叠更多的层数即可。

据悉，2bit MLC每cell单元存储2bit数据只需要一两打电子，3bit MLC(也就是TLC)的每个cell单元储存。随着制程工艺的不断革新，cell单元之间的干扰现象越来越严重。

三星的V-NAND不再追求缩小cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多cell单元，实现容量增多的目的。

传统上，SSD中使用的是浮栅极MOSFET(Floating gate MOSFET)，电子储存在栅极中，它相当于一个导体。这种晶体管的缺点是写入数据时，栅极与沟道之间会形成一次短路，这会消耗栅极中的电荷。

即每次写入数据，都要消耗一次栅极寿命。一旦栅极中的电荷没了，cell单元就相当于挂了，无法存储数据。

三星V-NAND闪存放弃浮栅极MOSFET，使用电荷攫取闪存(charge trap flash，简称CTF)设计。每个cell单元看起来更小了，但里面的电荷是储存在一个绝缘层而非之前的导体上，理论是没有消耗的。这种更小的电荷有很多优点，比如更高的可靠性、更小的体积。

据了解，使用CTF结构的V-NAND闪存被认为是一种非平面设计，绝缘体环绕沟道(channle)，控制栅极又环绕着绝缘体层。这种3D结构设计提升了储存电荷的的物理区域，提高了性能和可靠性。

相比传统的FG(Floating Gate，浮栅极)技术,三星NAND的电荷撷取闪存(charge trap flash，简称CTF)技术难度更小一点，因此这有利于加快产品量产。

目前，三星的3D V-NAND存储单元的层数(Layer)由2009年的2-layer逐渐提升至24-layer、64-layer，再到2018年的96-layer(层)。

参考资料：

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/21967038

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/48579501

3. https://news.mydrivers.com/1/273/273419.htm

写入不掉速！比SLC还要快的X-NAND QLC闪存究竟怎么做到的？

从SLC、MLC一路发展到TLC和QLC，NAND闪存的写入性能正以肉眼可见的速度快速降低。如果不是有SLC缓存遮羞，固态硬盘的写入速度恐怕要比几年前4倍甚至更多。

固态硬盘在变得便宜的同时，读写速度也在不断恶化，对于追求高性能的玩家来说很难接受。硅谷企业NEO Semiconductor研发的X-NAND技术或将成为NAND闪存的大救星：它理论上可以让QLC闪存比现有的SLC更快，同时还能保持低价。唯一的差别是，X-NAND无法提升闪存写入寿命。

增加Plane提高并发：

QLC自身的写入速度大约只有SLC闪存的1/8左右，提高数据读写的并发度是改善闪存性能的主要方向。目前3D NAND闪存已开始从2 Plane设计向4 Plane设计转变。

铠侠的XL-Flash超低延迟闪存为了提高性能更是采用了16 Plane等设计。不过要将16 Plane设计普遍应用到3D闪存中却并不经济：Page Buffer的数量会同步提升，并导致闪存芯片面积急剧增大，进而让闪存的制造成本上升。这也是XL-Flash只能专注于高性能存储而难以惠及消费级SSD的原因。

NEO Semiconductor更改了NAND闪存的设计，将Page Buffers容量降低到1KB来避免16 Plane设计在成本的增加。

X-NAND理论上可将闪存读写速度提高16倍，同时由于位线长度和电容的降低，随机读取速度以及写入验证速度也将大大提高。

按照NEO Semiconductor公开的数据，X-NAND技术可令QLC闪存的随机读写性能提高3倍、顺序读取速度提高27倍、顺序写入速度提高14倍。

提升之后的X-NAND QLC将比当前SLC闪存的顺序读写速度更快一些，但随机读写性能依然落后于真正的SLC闪存。不过，X-NAND技术同样可以用于SLC闪存，让SLC变得比现在更快。

加速鸡血永不停的奥秘：

回到大家最关心的“写入不掉速”问题上来。NEO Semiconductor承诺让QLC闪存可以始终以SLC缓存的速度进行写入，而不会出现缓存用完、速度暴跌。相信很多朋友和小编一样，怀疑这是不是真的。

NEO Semiconductor在最新的白皮书中解释了其中的原理。X-NAND充分发挥了Plane数量增加的红利，让不同分组的闪存交替以SLC写入、QLC释放和闪存擦除三种模式循环工作。

根据NEO Semiconductor的数据，32 Page的数据连续写入到8个Plane耗时6400μs，而将这些数据读取后并发写入到QLC Page所需的时间大约也是6400μs，这么一来一去，就可以保障数据可以始终保持全速写入而不发生掉速。

小容量设备的福音：

X-NAND的一个重要优势是它可以普惠众生，而不仅仅是面向昂贵的高端企业级SSD。

Plane数量的增加使得闪存并发存取性能提升，小容量的闪存也能提供可观的读写速度（特别是写入速度）。在外部接口（SATA/PCIe）总带宽固定的情况下，闪存性能的提升还可以降低对主控闪存通道数量的需求，进而降低SSD主控的成本。

灵活多变，满足每个人的需求：

每个人对存储性能的需求是不同的。硬件发烧友和电竞玩家追求极致性能，普通家用倾向于均衡的性能和成本，办公和教育市场可能更喜欢够用就好的高性价比SSD。X-NAND的Plane数量并非固定在16个，减少Plane数量意味着闪存芯片成本的降低，可以制造出速度相对不那么快、但价格更低的闪存。

NEO Semiconductor在去年的FMS闪存峰会上首次公开X-NAND，目前它们已经获得了相关技术专利，但它们不会自己利用这些技术进行闪存生产。所以我们什么时候能够实际体验到上述新技术优势，在一定程度上取决于世界主要闪存制造商会不会向NEO Semiconductor购买专利授权，或者它们自己是否已经有了类似的专利储备，并最终将其量产。总的来说，NAND闪存的发展前景是光明的，我们无需担心写入速度一步步向着HDD水平滑落而没有选择。

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