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nand 读写次数「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

发布时间 : 2024-10-07

作者 : 小编

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「收藏」Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

[收藏] Flash闪存颗粒和工艺知识深度解析

原创： Hardy 架构师技术联盟 5天前

Wafer即晶圆，是半导体组件“晶片”或“芯片”的基材，从沙子里面高温拉伸生长出来的高纯度硅晶体柱(Crystal Ingot)上切下来的圆形薄片称为“晶圆”。采用精密“光罩”通过感光制程得到所需的“光阻”，再对硅材进行精密的蚀刻凹槽，继续以金属真空蒸着制程，于是在各自独立的“晶粒”(Die)上完成其各种微型组件及微细线路。对晶圆背面则还需另行蒸着上黄金层，以做为晶粒固着(Die Attach) 于脚架上的用途。

以上流程称为Wafer Fabrication。早期在小集成电路时代，每一个6吋的晶圆上制作数以千计的晶粒，现在次微米线宽的大型VLSI，每一个8吋的晶圆上也只能完成一两百个大型芯片。我们NAND Flash的Wafer，目前主要采用8寸和12寸晶圆，一片晶圆上也只能做出一两百颗NAND Flash芯片来。

NAND Flash Wafer

Wafer的制造虽动辄投资数百亿，但却是所有电子工业的基础。晶圆的原始材料是硅，而地壳表面有用之不竭的二氧化硅。二氧化硅矿石经由电弧炉提炼，盐酸氯化，并经蒸馏后，制成了高纯度的多晶硅，其纯度高达99.99%以上。晶圆制造厂再将此多晶硅融解，再在融液里种入籽晶，然后将其慢慢拉出，以形成圆柱状的单晶硅晶棒，由于硅晶棒是由一颗晶面取向确定的籽晶在熔融态的硅原料中逐渐生成，此过程称为“长晶”。硅晶棒再经过切段，滚磨，切片，倒角，抛光，激光刻，封装后，即成为集成电路工厂的基本原料——硅晶圆片，这就是“晶圆”。

下图是NAND Flash生产简要流程:

Die 就是芯片未封装前的晶粒,是从硅晶圆(Wafer)上用激光切割而成的小片(Die)。每一个Die就是一个独立的功能芯片，它无数个晶体管电路组成，但最终将被作为一个单位而被封装起来成为我们常见的闪存颗粒，CPU等常见芯片。

什么是ink Die

在晶圆制造过程中，会对Wafer中的每个Die进行严格测试，通过测试的Die，就是Good Die，未通过测试的即为Ink Die。这个测试过程完成后，会出一张Mapping图，在Mapping里面会用颜色标记出不良的Die，故称Ink Die。

Flash芯片封装分类

目前NAND Flash封装方式多采取TSOP、FBGA与LGA等方式，由于受到终端电子产品转向轻薄短小的趋势影响，因而缩小体积与低成本的封装方式成为NAND Flash封装发展的主流趋势。

TSOP: (Thin smaller outline package )封装技术，为目前最广泛使用于NAND Flash的封装技术，首先先在芯片的周围做出引脚，采用SMT技术（表面安装技术）直接附着在PCB板的表面。TSOP封装时，寄生参数减小，因而适合高频的相关应用，操作方便，可靠性与成品率高，同时具有价格便宜等优点，因此于目前得到了极为广泛的应用。

BGA: (Ball Grid Array也称为锡球数组封装或锡脚封装体 )封装方式，主要应用于计算机的内存、主机板芯片组等大规模集成电路的封装领域，FBGA 封装技术的特点在于虽然导线数增多，但导线间距并不小，因而提升了组装良率，虽然功率增加，但FBGA能够大幅改善电热性能，使重量减少，信号传输顺利，提升了可靠性。

采用FBGA新技术封装的内存，可以使所有计算机中的内存在体积不变的情况下容量提升数倍，与TSOP相比，具有更小的体积与更好的散热性能，FBGA封装技术使每平方英寸的储存量有很大的提升，体积却只有TSOP封装的三分之一，与传统TSOP封装模式相比，FBGA封装方式有加快传输速度并提供有效的散热途径，FBGA封装除了具备极佳的电气性能与散热效果外，也提供内存极佳的稳定性与更多未来应用的扩充性。

LGA: (Land Grid Array ) 触点陈列封装，亦即在底面制作有数组状态坦电极触点的封装，装配时插入插座即可，现有227 触点(1.27mm中心距)和447 触点(2.54mm 中心距)的陶瓷LGA，应用于高速逻辑 LSI 电路，由于引线的阻电抗小，对高速LSI 相当适用的，但由于插座制作复杂，成本较高，普及率较低，但未来需求可望逐渐增加。

Flash芯片封装叠Die(Stack Die)

由于NAND Flash单颗Die的容量有限，为了实现更高的容量，需要在一个封装片内堆叠几个Die。在Wire Bond的时候，用金线互连。

目前单颗Die的容量最高的为Micron公司的MLC 4GB，目前最先进的堆叠技术可以叠8层，因此理论上MLC单颗封装片可以做到32GB。Micron公司计划在09年Q4推出此容量的封装片。

Flash芯片TSOP封装和BGA封装的内部结构

TSOP封装只需要一个引脚框架，把NAND FLASH Die的Pad打线(Wire Bond)连接到引进框架上面即可。封装技术简单，成本低。但其打线方式只能从两边打线，因此stack die就比较困难。

BGA封装与TSOP封装不同在于其采用了Substrate，用电路板来对引脚走线，因此可以进行四面打线，这样在进行叠die的时候，就变得更加容易操作。但成本会比TSOP要高。

Flash芯片封装的尺寸，一些封装方式尺寸比较:

NAND Flash出货有两种产品样式:

一种是Wafer，即晶圆出货，这种产品样式一般客户采购回去需要再测试和COB封装等，这种客户多为闪存卡大客户。

一种是封装片出货，NAND Flash目前最普遍采用的是48TSOP1的封装方式，现货市场均为TSOP的封装片。

NAND Flash按工艺可分为SLC与MLC

SLC英文全称(Single Level Cell)即单层式单元储存。SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄，在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压，然后透过源极，即可将所储存的电荷消除，通过这样的方式，便可储存1个信息单元，这种技术能提供快速的程序编程与读取，不过此技术受限于Silicon efficiency的问题，必须要用较先进的流程强化技术，才能向上提升SLC制程技术。

MLC英文全称(Multi Level Cell)即多层式单元储存。Intel在1997年9月最先开发成功MLC，其作用是将两个单位的信息存入一个Floating Gate(闪存存储单元中存放电荷的部分)，然后利用不同电位(Level)的电荷，通过内存储存的电压控制精准读写。MLC通过使用大量的电压等级，每一个单元储存两位数据，数据密度比较大。SLC架构是0和1两个值，而MLC架构可以一次储存4个以上的值。因此，MLC架构可以有比较高的储存密度。

TLC英文全称(Triple Level Cell)即一个单元可以存储单元可以存储3bit，因此需要8个等级的电位进行编码解码才能实现。其实TLC是属于MLC的一种。

SLC和MLC的基本特性表

Flash坏块的形成

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。

隧道注入和隧道释放的产生都需要十几伏的瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。达到读写寿命极限的时候存储单元就会出现失效，然后就会造成数据块擦除失效，以及写入失效，于是就会被标记起来，作为坏块，并将这个标记信息存放在Spare Area里面，后续操作这个Block时，需要Check一下这个信息。

Flash固有坏块

由于制造工艺的原因，通常普通的NAND FLASH从出厂开始就有坏块了，一般在2‰以下。一般芯片原厂都会在出厂时都会将坏块第一个page的spare area的第6个byte标记为不等于0xff的值。

NAND Flash的存储单元是有使用寿命的

NAND Flash的存储原理是，在写入(Program)的时候利用F-N隧道效应(Tunnel Injection隧道注入)的方法使浮栅充电，即注入电荷；在擦除(Erase)的时候也是是利用F-N隧道效应(Tunnel Release隧道释放)将浮栅上的电荷释放。隧道注入和隧道释放的产生都需要20V左右瞬间高电压条件，这对浮栅上下的氧化层会造成一定损伤，因此这样重复的操作(P/E Cycle)是有限的。SLC大概是100K次，MLC大概是10K次。

三星估算的SSD硬盘的寿命

如果每天对SSD写入4.8GB的数据，假设SSD总容量为16GB，那么，你至少需要3.34天才能对整个SSD的每个单元擦写一次；如果此SSD为擦写次数为100K的SLC单元，那么，你至少需要3.34×100K天才能使这个SSD完全失效；3.34×100K天＝913年，因此16G的SSD可以使用913年 。那么，如果是MLC的话，也至少可以使用91.3年。

晶圆制程工艺发展历史

芯片制程工艺是指晶圆内部晶体管之间的连线间距。按技术述语来说，也就是指芯片上最基本功能单元门电路和门电路间连线的宽度。

主流厂商的晶圆制程工艺以及下一代制程工艺的情况，如下表。

芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、75纳米、65纳米一直发展到目前最新的34纳米。

一步步印证了摩尔定律的神奇。以90纳米制造工艺为例，此时门电路间的连线宽度为90纳米。我们知道，1微米相当于1/60头发丝大小，经过计算我们可以算出，0.045微米(45纳米)相当于1/1333头发丝大小。可别小看这1/1333头发丝大小，这微小的连线宽度决定了芯片的实际性能，芯片生产厂商为此不遗余力地减小晶体管间的连线宽度，以提高在单位面积上所集成的晶体管数量。采用34纳米制造工艺之后，与65纳米工艺相比，绝对不是简单地令连线宽度减少了31纳米，而是芯片制造工艺上的一个质的飞跃。

目前最先实现34nm工艺的是Intel和Micron联合投资的IM，此技术被最先应用在了NAND FLASH上面，可见NAND FLASH的制程工艺跳跃是所有IC中最快的。

晶圆技术的发展都是受生产力驱动，必须向更小的制程间距和更大的晶圆尺寸发展。制程从2.0um、0.5um、0.18um、90nm一直到目前的34nm，晶圆尺寸从最初的5英寸发展到目前的12英寸，每次更迭都是一次巨大的技术跳跃，凝聚了人类科技的结晶，也一次次印证了摩尔定律的神奇。

晶圆尺寸的大约每9年切换一次。而晶圆制程由最初的几年更迭一次，到目前的基本上每年都能更迭一次。

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M1 版 MacBook SSD 为何会损耗巨大？

M1 处理器版的 MacBook 惊艳了很多人的眼球，有如此强劲的性能的同时，还可以实现超长续航，让很多人惊呼这就是轻薄本的终极形态。然而，最近 M1 版 MacBook 却引发了一些争议，有用户发现在使用一段时间后，SSD 的写入数据量非常巨大。要知道，SSD 中 NAND 的写入次数是有限的，M1 版 MacBook 这还算是新机，就产生了如此写入量，为什么会这样？到底要不要紧？这就来简单谈谈。

SSD 损耗无可避免：操作系统的 Swap 机制

根据反馈，出现巨大写入量的 SSD，并不是经常挂机下载这样的任务引起的。在日常使用中，SSD 就已经会出现此类情况。实际上，很多操作系统都会造成这样的状况，只不过可能没有 M1 版 MacBook 那么夸张。SSD 的损耗在日常使用无可避免，其实这是 SSD 充当了内存 Swap 引起的。

macOS 中的 Swap

什么是 Swap？这是一个在桌面操作系统中常见的系统机制，我们可以大致理解为硬盘充当了内存的作用。在桌面的使用环境下，PC、Mac 等设备需要拥有实时运行多个大型软件的能力，这就需要内存足以存储这么多个大型软件的进程容量。然而物理内存是有限的，为此操作系统就需要调用硬盘空间，充当内存的作用。

Swap 机制的简单示意图

在 macOS 系统中，当软件开始运行，进程即会被读取到物理内存当中。随着运行的软件越来越多，操作系统会意识到内存不够用，首先采取的措施是对内存中的数据进行压缩，这会消耗一定的 CPU 资源；当进入内存的数据变得更多后，操作系统就会考虑舍弃一部分内存中的数据，这时候在内存中没有被修改过的数据首先被抛弃，释放出部分内存空间——例如你打开一个软件，从未操作过，随着内存逐渐被占满，这个软件在内存的一些数据可能实际上已经被清除掉，当你重新开始操作该软件的时候，会重新从硬盘读取所需数据。在这种情况下，操作系统并不会对 SSD 写入大量数据。

然而，当内存中的数据被修改过，产生了 “脏页”，情况就不一样了。当内存逐渐被占满时，操作系统并不能直接将 “脏页”从内存中清理出去，毕竟这往往记录着软件的工作进程。这时候，macOS 会将这部分 “脏页”暂存到 SSD 中，这就产生了写入 SSD 的数据。

为此，macOS 还建立了一个专门的 VM 分区，来存放这些内存数据，当物理内存越紧张、用户开启软件越多、软件需求的内存容量越大的时候，VM 分区的 I/O 就会更加频繁，写入的数据也就更多。在这样的 Swap 操作之下，就算没有进行下载、传输数据之类的操作，也会有大量的数据写入 SSD。

macOS 中的 VM 分区

实际上，并非只有 macOS 存在 Swap 的机制，Windows、Android 等系统均有类似设计。在 Windows 中，我们可以在系统高级设置中找到 “虚拟内存”，这即是硬盘为内存脏页提供存储空间；在 Android 中，也有 zRAM 和 Swap 的机制，会对内存进行压缩和写入 NAND。

Win10 中的虚拟内存设置

不过，iOS 倒是没有 Swap 机制，这或许和墓碑机制不需要占用太多 RAM、苹果对 iOS 设备定位为非重度生产力工具等因素有关。

M1 版 MacBook 为何 SSD 写入数据尤其多？

Swap 是一种非常常见的系统机制，Windows、Android 等操作系统有类似设计。但有用户反馈，M1 版 MacBook 的 SSD 写入数据就是特别多，这到底是为什么？下面是一些分析。

· 和长期不关机的用户习惯有关。 Mac 电脑，尤其是 M1 版 MacBook，强调 “掀盖即用”，很多用户养成了长期不关机的习惯，不使用电脑时仅仅合盖休眠。操作系统没有经过重启，经过长时间持续使用，内存脏页会越来越多，写入 SSD 的数据也越来越多。加上 macOS 的休眠状态（hibernatemode）会将 RAM 数据写入硬盘，长期使用休眠待机，也会加大 SSD 的写入量。

MacBook 强调 “开盖即用”，长时间不关机，Swap 更频繁，休眠会增加 SSD 的写入量

· 和软件生态有关。 越新的软件，占用的内存越多，这是无可辩驳的大趋势，在业界中被称为 “安迪 - 比尔定律”。M1 版 MacBook 由于硬件上进行了革新，很多软件也随之发布新版，新版软件带来了更大的内存容量需求，使得操作系统更容易触发 Swap。与此同时，一些 X86 老软件在 M1 版 MacBook 运行，需要经过 Rosetta 2 转译代码，这会占用更多的存储空间，安装、使用这样的老软件，这也有可能加剧对 SSD 的写入操作。

M1 版 MacBook 兼容 X86 软件需要 Rosetta 2 转译，这会占用额外的硬盘容量，给 SSD 写入更多数据

· 和 RAM 容量过小有关。 M1 版 MacBook 仅提供 8G 和 16G 两种 RAM 容量，而多数用户都选择 8G RAM 的版本。物理内存越小，就越容易触发 Swap，有用户反馈称，8G RAM 版本的 M1 版 MacBook 的确比 16G 版产生了更多 SSD 写入数据量。

· 或许和 M1 芯片架构有关。 M1 芯片使用了片上系统的设计，RAM 和 CPU 核心集成到了一起，这有助于提高 I/O 效率，但也有可能加快 Swap 的速度。但这只是一种可能，苹果没有公开太多 M1 芯片在这方面的细节，无法推定。

· 或许和 Spotlight 有关。 Spotlight 是 macOS 中的全局搜索机制，它会检索硬盘中的所有数据。部分用户反馈，新版 macOS 的 Spotlight 很有可能额外对 SSD 写入了大量数据，目前某些 beta 版的 macOS 已经停用了 Spotlight 的文件检索。不过 Spotlight 是否是真正的原因，还有待苹果官方证实。

▲Spotlight 可能是导致 SSD 写入增加的原因，但这点有待证实

M1 版 MacBook 真的有硬伤吗？

在多种因素作用下，部分用户的 M1 版 MacBook 产生了较多的 SSD 写入量。例如有用户反馈，使用仅仅 60 天，就产生了高达 261TB 的 SSD 写入量，以 1000 次 P/E 计算，则已经消耗了一块 256G SSD 10% 的寿命。那么 M1 版 MacBook 如此巨大的 SSD 写入量，真的算是缺陷吗？小编认为需要辩证看待。

用户反馈，M1 版 MacBook 使用仅仅 60 天，就产生了高达 261TB 的 SSD 写入量

· 从历史来看，如果只是正常使用，SSD 的损坏基本是由于硬件缺陷或者固件问题导致，SSD 很少因为写入次数耗尽，而寿终正寝。很多 SSD 的实际寿命都高于官方标称，外媒 Hardware.info 曾经进行过测试，即使是 TLC 闪存的 SSD，寿命也远超预期。SSD 一般存在冗余容量，这部分容量用户不可见，可以有效延长 SSD 的生命周期。

·SSD 很多写入行为产生于早期，例如 X86 软件进行 Rosetta 转码导致 SSD 写入额外数据，这样的情况只会发生一次。随着使用时间，SSD 的损耗速度应该会有所回落。

如果你实在担心，可以选择购买更大 RAM 和 SSD 容量的 MacBook 使用。更大的 RAM 意味着更多数据读写发生在物理内存中，平时会触发更少的 Swap；而更大的 SSD 容量意味着写入同样的数据量，SSD 的损耗更少。当然，这样的设备价格也会更高。

至于这到底算不算硬伤，由于目前该现象尚未引发故障，因此很难说这属于设计缺陷。不过，该现象很值得大家保持关注，尤其是 Spotlight 的表现，大家可以暂时停用 Spotlight，观察是否 SSD 写入数据有所减少。

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