闪存颗粒到底是何物？浅析闪存及制程

如果用一个词来描述2016年的固态硬盘市场的话，那么闪存颗粒绝对是会被提及的一个关键热词。在过去的2016年里，围绕着闪存颗粒发生了一系列大事，包括闪存颗粒的量产引发固态涨价，闪存颗粒的制程问题引发的厂商竞争，以及“日经贴”般的MLC/TLC颗粒的优劣问题。

那么，到底什么是闪存颗？2D NAND和3D NAND之间又有哪些区别和联系？下面，我们一一来解读。

闪存颗粒到底是什么？

闪存颗粒，又称闪存，是一种非易失性存储器，即在断电的情况下依旧可以保存已经写入的数据，而且是以固定的区块为单位，而不是以单个的字节为单位。

根据用途和规格不同，闪存颗粒有很多不同的变种，今天我们主要讨论的是用于固态硬盘等存储设备中的、最为常用的NAND闪存颗粒。

NAND闪存颗粒，是闪存家族的一员，最早由日立公司于1989年研制并推向市场，由于NAND闪存颗粒有着功耗更低、价格更低和性能更佳等诸多优点，成为了存储行业最为重要的存储原料。

根据NAND闪存中电子单元密度的差异，又可以分为SLC（单层次存储单元）、MLC（双层存储单元）以及TLC(三层存储单元)，此三种存储单元在寿命以及造价上有着明显的区别。

在这里我们就不再展开讨论了。

2D和3D闪存之间的区别和联系

在解释3D NAND之前，我们先得弄清楚2D NAND是什么，以及“2D”和“3D”的真实含义。

首先是2D NAND，我们知道在数学和物理领域，2D/3D都是指的方向，都是指的坐标轴，“2D”指的是平面上的长和宽，而“3D”则是在“2D”基础上，添加了一个垂直方向的“高”的概念。

由此，2D NAND真实的含义其实就是一种颗粒在单die内部的排列方式，是按照传统二维平面模式进行排列闪存颗粒的。

相对应的，3D NAND则是在二维平面基础上，在垂直方向也进行颗粒的排列，即将原本平面的堆叠方式，进行了创新。

利用新的技术(即3D NAND技术)使得颗粒能够进行立体式的堆叠，从而解决了由于晶圆物理极限而无法进一步扩大单die可用容量的限制，在同样体积大小的情况下，极大的提升了闪存颗粒单die的容量体积，进一步推动了存储颗粒总体容量的飙升。

同时，在业界，根据在垂直方向堆叠的颗粒层数不同，和选用的颗粒种类不同，3D NAND颗粒又可以分为32层、48层甚至64层 3D TLC/MLC颗粒的不同产品，这取决于各大原厂厂商的技术储备和实际选用的颗粒种类。

我们可以打个比方，来理解2D NAND和3D NAND技艺之间的区别和联系。

2D NAND就如同在一块有限的平面上建立的数间平房，这些平房整齐排列，但是随着需求量的不断增加，平房的数量不断井喷，可最终这块面积有限的平面只能容纳一定数量的平房而无法继续增加；

3D NAND则就如同在同一块平面上盖起的楼房，在同样的平面中，楼房的容积率却远远高于平房，因而它能提供更多的空间，也就是提供了更大的存储空间，而32层、48层以及64层，则就是这些楼房的高度，一共堆叠了多少层。

虽然，3D NAND技术能够在同等体积下，提供更多的存储空间，但是这项堆叠技术对于原厂制造商来说有着相当的操作难度，需要原厂有着相当的技术积累，因而目前能够掌握3D NAND技术的原厂公司十分少见，只有三星、美光等少数公司的3D NAND颗粒实现了量产和问世。

性能最多相差78倍！揭开存储卡的速度之谜

我们都知道，NAND闪存是一种比机械硬盘内的磁盘更快、更安全、更稳定的存储介质，并已攻陷了包括硬盘、闪存盘、存储卡、智能手机、平板电脑、智能电视等内置存储空间的设备（市场）。

问题来了，既然都是将NAND作为存储单元，为何存储卡和SSD硬盘之间的读写性能会存在极大的差异呢？

简单来说，存储卡、手机和SSD固态硬盘内置闪存芯片的封装标准各不相同 ，比如SSD内的闪存芯片表面积就已经和一些闪存盘的大小相当，存储卡内置的闪存芯片尺寸则更迷你。

一般来说，同容量但封装尺寸更大（所以SSD性能先天占优）或单芯片容量越大（内部可组成类似双通道的工作模式）的闪存芯片具备更好的性能潜力，性能越好。

此外，NAND闪存自身也是在不断迭代进化的 ，2021年主流闪存的性能肯定要比几年前的闪存强很多。

影响闪存自身性能的因素有很多，比如制程工艺、闪存架构、3D堆叠技术等 。其中，闪存架构即我们熟悉的SLC、MLC、TLC和QLC，目前中高端闪存均以TLC为主，而QLC虽然性能有所降低但凭借成本优势正在逐渐蚕食TLC闪存的市场。制程工艺和3D堆叠技术相辅相成，最新工艺+96层或144层的3D NAND技术可以将1TB容量封装进一颗NAND闪存芯片里。

如今很多1TB SSD的PCB主板上仅需1颗闪存芯片

下面，咱们就先来了解一下存储卡的速度之谜，如果你对闪存盘感兴趣，可以关注CFan的后续报道。

存储卡的速度之谜

存储卡包含Secure Digital Memory Card（SD）、Micro SD Card（又称TF）、Compact Flash（CF）、Memory Stick（MS）等诸多形态，但如今依旧流行的则只剩下了SD和MicroSD（TF），并逐渐衍生出了SDHC（SD2.0）、SDXC（SD3.0）和SDUC（SD7.0）标准。

虽然存储卡轻巧迷你，但它也算“五脏俱全”，除了裸露在外的金手指外，内部还同时封装了主控芯片和闪存芯片 。

不过，存储卡的主控只需要实现最基础的功能即可，并不像SSD硬盘那般需要针对闪存颗粒进行读写优化、写入策略优化等，所以尺寸和功耗极低，没什么存在感 。

一款存储卡的性能，主要看它采用的SD规范标准以及总线接口 。以通用性最好的MicroSD存储卡为例，目前市面上多以SDXC+UHS-I为主，读取速度普遍在100MB/s~170MB/s之间。

采用UHS-II或UHS-III总线标准的存储卡速度可以媲美SATA SSD，但它们的价格昂贵，而且采用了双排金手指，兼容这类存储卡的设备也多以专业单反相机和摄像机为主。

SD7.x是最新的SD卡规范标准，它们引入了PCIe总线和NVMe协议，读取速度理论可达985MB/s，目前威刚已经推出了符合该标准的Premier Extreme SDXC SD Express存储卡，但SD7.x存储卡的价格更是吓人，兼容这种存储卡的设备也是凤毛麟角。

总的来说，存储卡是NAND介质存储产品中速度（相对）最慢的，其性能更加依赖终端设备（如手机、相机、笔记本）身上的的读卡器以及控制芯片，而相关的OEM厂商并不愿意在这方面增加预算，所以哪怕存储卡已经有了超高速的SD7.x标准，但至今连UHS-II还未大规模普及，普通用户更是很难接触到。

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