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nand堆叠层数英文 关于半导体存储的最强入门科普
发布时间 : 2025-03-16
作者 : 小编
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关于半导体存储的最强入门科普

上周,我给大家仔细介绍了HDD硬盘、软盘和光盘的发展史(链接)。

大家应该都注意到了,在我们的日常生活中,其实远远不止上面三种存储介质。

我们经常使用的U盘、TF卡、SD卡,还有电脑上使用的DDR内存、SSD硬盘,都属于另外一种存储技术。

这种技术,我们称之为“半导体存储”

今天,小枣君就重点给大家讲讲这方面的知识。

█ 半导体存储的分类

现代存储技术,概括来看,就分为三大部分,分别是磁性存储、光学存储以及半导体存储。

半导体存储器,简而言之,就是以“半导体集成电路” 作为存储媒介的存储器。

大家如果拆开自己的U盘或SSD硬盘,就会发现里面都是PCB电路板,以及各自各样的芯片及元器件。其中有一类芯片,就是专门存储数据的,有时候也称“存储芯片”。

SSD硬盘的构造

相比传统磁盘(例如HDD硬盘),半导体存储器的重量更轻,体积更小,读写速度更快。当然了,价格也更贵。

这些年,整个社会对芯片半导体行业的关注度很高。但是,大家主要关注的其实是CPU、GPU、手机SoC等计算类芯片。

殊不知,半导体存储器也是整个半导体产业的核心支柱之一。2021年,全球半导体存储器的市场规模为1538亿美元,占整个集成电路市场规模的33%,也就是三分之一。

2022年全球半导体主要品类占比情况 存储器有所下降,但仍有26%

半导体存储器也是一个大类,它还可以进一步划分,主要分为:易失性(VM)存储器非易失性(NVM)存储器

顾名思义,电路断电后,易失性存储器无法保留数据,非易失性存储器可以保留数据。

这个其实比较好理解。学过计算机基础知识的童鞋应该还记得,存储分为内存外存

计算机通电后,内存配合CPU等进行工作。断电后,内存数据就没有了,属于易失性(VM)存储器。

而外存呢,也就是硬盘,存放了大量的数据文件。当计算机关机后,只要你执行了保存(写入)操作,数据就会继续存在,属于非易失性(NVM)存储器。

请大家注意:现在很多资料也将半导体存储器分为随机存取存储器(RAM)只读存储器(ROM) ,大家应该很耳熟吧?

ROM只读存储器:很好理解,可以读取,不可以写入。

RAM随机存取存储器:指的是它可以“随机地从存储器的任意存储单元读取或写入数据”,这是相对传统磁存储必须“顺序存取(Sequential Access)”而言的。

有些人认为,易失性存储器就是RAM,非易失性存储器就是ROM。其实,这是不严谨的,原因待会会讲。

█ 易失性存储器(VM)

在过去几十年内,易失性存储器没有特别大的变化,主要分为DRAM(动态随机存取存储器,Dynamic RAM)和SRAM(静态随机存取存储器,Static RAM)。

DRAM

DRAM由许多重复的位元格(Bit Cell)组成,每一个基本单元由一个电容和一个晶体管构成(又称1T1C结构)。电容中存储电荷量的多寡,用于表示“0”和“1”。而晶体管,则用来控制电容的充放电。

图片来源:Lam Research

由于电容会存在漏电现象。所以,必须在数据改变或断电前,进行周期性“动态”充电,保持电势。否则,就会丢失数据。

因此,DRAM才被称为“动态”随机存储器。

DRAM一直是计算机、手机内存的主流方案。计算机的内存条(DDR)、显卡的显存(GDDR)、手机的运行内存(LPDDR),都是DRAM的一种。(DDR基本是指DDR SDRAM,双倍速率同步动态随机存储器。)

值得一提的是,显存这边,除了GDDR之外,还有一种新型显存,叫做HBM (High Bandwidth Memory)。它是将很多DDR芯片堆叠后,与GPU封装在一起构成的(外观上看不到显存颗粒了)。

SRAM

SRAM大家可能比较陌生。其实,它就是我们CPU缓存所使用的技术。

SRAM的架构,比DRAM复杂很多。

SRAM的基本单元,则最少由6管晶体管组成:4个场效应管(M1, M2, M3, M4)构成两个交叉耦合的反相器,2个场效应管(M5, M6)用于读写的位线(Bit Line)的控制开关,通过这些场效应管构成一个锁存器(触发器),并在通电时锁住二进制数0和1。

因此,SRAM被称为“静态随机存储器”。

SRAM存储单元

SRAM不需要定期刷新,响应速度快,但功耗大、集成度低、价格昂贵。

所以,它主要用于CPU的主缓存以及辅助缓存。此外,还会用在FPGA内。它的市场占比一直都比较低,存在感比较弱。

█ 非易失性存储器(NVM)

接下来,再看看非易失性存储器产品。

非易失性存储器产品的技术路线,就比较多了。最早期的,就是前面所说的ROM。

最老式的ROM,那是“真正”的ROM ——完全只读,出厂的时候,存储内容就已经写死了,无法做任何修改。

这种ROM,灵活性很差,万一有内容写错了,也没办法纠正,只能废弃。

掩模型只读存储器(MASK ROM),就是上面这种ROM的代表。说白了,就是直接用掩膜工艺,把信息“刻”进存储器里面,让用户无法更改,适合早期的批量生产。

后来,专家们发明了PROM (Programmable ROM,可编程ROM)。这种ROM一般只可以编程一次。出厂时,所有存储单元皆为1。通过专用的设备,以电流或光照(紫外线)的方式,熔断熔丝,可以达到改写数据的效果。

PROM的灵活性,比ROM更高一些,但还是不够。最好是能够对数据进行修改,于是,就有专家发明了EPROM (Erasable Programmable,可擦除可编程ROM)。

擦除的方式,可以是光,也可以是电。电更方便一点,采用电进行擦除的,就叫做EEPROM(电可擦除可编程EEPROM)。

EEPROM可以随机访问和修改任何一个字节,可以往每个bit中写0或者1,就是按“bit”读写,不必将内容全部擦除后再写。它的擦除操作,也是以“bit”为单位,速度还是太慢了。

上世纪80年代,日本东芝的技术专家——舛冈富士雄 ,发明了一种全新的、能够快速进行擦除操作的存储器,也就是——Flash(闪存)。

舛冈富士雄

Flash在英文里,就是“快速地”的意思。

限于篇幅,FLASH的具体原理我们下次再专门介绍。我们只需要知道,Flash存储是以“块”为单位进行擦除的。

常见的块大小为128KB和256KB。1KB是1024个bit,比起EEPROM按bit擦除,快了几个数量级。

目前,FLASH的主流代表产品也只有两个,即:NOR FlashNAND Flash

NOR Flash

NOR Flash属于代码型闪存芯片,其主要特点是芯片内执行(XIP,Execute In Place),即应用程序不必再把代码读到系统RAM中,而是可以直接在Flash闪存内运行。

所以,NOR Flash适合用来存储代码及部分数据,可靠性高、读取速度快,在中低容量应用时具备性能和成本上的优势。

但是,NOR Flash的写入和擦除速度很慢,而且体积是NAND Flash的两倍,所以用途受到了很多限制,市场占比比较低。

早期的时候,NOR Flash还会用在高端手机上,但是后来,智能机开始引入eMMC后,连这块市场也被排挤了。

近年来,NOR Flash的应用有所回升,市场回暖。低功耗蓝牙模块、TWS耳机、手机触控和指纹、可穿戴设备、汽车电子和工业控制等领域,使用NOR Flash比较多。

NAND Flash

相比之下,NAND Flash的市场占比就大了很多。

NAND Flash属于数据型闪存芯片,可以实现大容量存储。

它以页为单位读写数据,以块为单位擦除数据,故其写入和擦除速度虽比DRAM大约慢3-4个数量级,却也比传统的机械硬盘快3个数量级,被广泛用于eMMC/EMCP、U盘、SSD等市场。

前面提到了eMMC。前几年,这个词还是挺火的。

eMMC

eMMC即嵌入式多媒体卡(embedded Multi Media Card),它把MMC(多媒体卡)接口、NAND及主控制器都封装在一个小型的BGA芯片中,主要是为了解决NAND品牌差异兼容性等问题,方便厂商快速简化地推出新产品。

而eMCP,是把eMMC与LPDDR封装为一体,进一步减小模块体积,简化电路连接设计。

2011年,UFS(Universal Flash Storage,通用闪存存储)1.0标准诞生。后来,UFS逐渐取代了eMMC,成为智能手机的主流存储方案。当然了,UFS也是基于NAND FLASH的。

这些年主流手机的标配

SSD,大家应该很熟悉了。它基本上都是采用NAND芯片的,目前发展非常迅猛。

SSD内部构造

根据内部电子单元密度的差异,NAND又可以分为SLC(单层存储单元)、MLC(双层存储单元)、TLC(三层存储单元、QLC(四层存储单元),依次代表每个存储单元存储的数据分别为1位、2位、3位、4位。

由SLC到QLC,存储密度逐步提升,单位比特成本也会随之降低。但相对的,性能、功耗、可靠性与P/E循环(擦写循环次数,即寿命)会下降。

这几年,DIY装机圈围绕SLC/MLC/TLC/QLC的争议比较大。一开始,网友们觉得SSD硬盘的寿命会缩水。后来发现,好像缩水也没那么严重,寿命仍然够用。所以,也就慢慢接受了。

早期的NAND,都是2D NAND。工艺制程进入16nm后,2D NAND的成本急剧上升,平面微缩工艺的难度和成本难以承受。于是,3D NAND出现了。

图片来源:electronics-lab

简单来说,就是从平房到楼房,利用立体堆叠,提升存储器容量,减小2D NAND的工艺压力。

2012 年,三星推出了第一代3D NAND闪存芯片。后来,3D NAND技术不断发展,堆叠层数不断提升,容量也越来越大。

█ 新型存储器(非易失性)

2021年,美国IBM提出“存储级内存”(SCM, Storage-Class Memory)的概念。IBM认为,SCM能够取代传统硬盘,并对DRAM起到补充作用。

SCM的背后,其实是行业对新型存储器(介质) 的探索。

按行业的共识,新型存储器可以结合了DRAM内存的高速存取,以及NAND闪存在关闭电源之后保留数据的特性,打破内存和闪存的界限,使其合二为一,实现更低的功耗,更长的寿命,更快的速度。

目前,新型存储器主要有这么几种:相变存储器(PCM),阻变存储器(ReRAM/RRAM),铁电存储器(FeRAM/FRAM),磁性存储器(MRAM,第二代为STT-RAM),碳纳米管存储器。

限于篇幅(主要是我也没看懂,太难了),今天就不逐一介绍了。等将来我研究清楚后,再写专题文章。

█ 结语

汇总一下,小枣君画了一个完整的半导体存储分类图:

上面这个图里,存储器类型很多。但我前面也说了,大家重点看DRAM、NAND Flash和NOR Flash就可以了。因为,在现在的市场上,这三种存储器占了96%以上的市场份额。

其实,所有的存储器,都会基于自己的特性,在市场中找到自己的位置,发挥自己的价值。

一般来说,性能越强的存储器,价格就越贵,会越离计算芯片(CPU/GPU等)越近。性能弱的存储器,可以承担一些对存储时延要求低,写入速度不敏感的需求,降低成本。

计算机系统中的典型存储器层次结构 图片来源:果壳硬科技

半导体存储技术演进的过程,其实一直都受益于摩尔定律 ,在不断提升性能的同时,降低成本。今后,随着摩尔定律逐渐失效,半导体存储技术将会走向何方,新型存储介质能够崛起?让我们拭目以待。

下一期文章,小枣君将站在历史的角度,详细介绍一下半导体存储的技术演进历程,以及行业格局的风雨变幻。

欢迎大家继续关注!谢谢!

参考文献:

1、《数据存力白皮书》,华为、罗兰贝格;

2、《中国存力白皮书》,2022算力大会;

3、《计算机存储历史》,中国存储网

4、《硬盘发展简史》,SunnyZhang的I世界;

5、《存储技术发展历程》,谢长生;

6、《存储介质发展史》,B站,阴冷未遂;

7、《下一代数据存储技术研究报告》,信通院;

8、《存储芯片行业研究报告》,国信证券;

9、《国产存储等待一场革命》,付斌,果壳;

10、《关于半导体存储,没有比这篇更全的了》,芯师爷

11、《科技简章035-半导体存储之闪存》,悟弥津,知乎

12、维基百科相关词条。

一款SSD是否值得买?使出三板斧 一眼就看穿

SSD固态硬盘已经是如今装机或者购机的绝对标配,而伴随着SSD技术和产品的发展,如何挑选一块称心如意的SSD,也需要额外注意。

NAND闪存闪存技术不断成长,从单一Cell单元存储1bit(比特)的SLC,发展到单一Cell存储2bit的MLC,再到目前主流的单一Cell存储3bit的TLC,以及即将普及的单一Cell存储4bit的QLC,随着每一次技术革新,闪存的成本都呈指数倍下降,带给用户的是越来越便宜的产品。

而且不论是用于个人电脑的SSD固态硬盘,还是用在手机中的eMMC/UFS,今后数年容量会不断翻倍,而购买成本将会越来越低。

全球NAND闪存存储密度增长趋势(来源:中国闪存市场)

目前市场上的SSD品牌琳琅满目,让一般消费者无从下手。这里我们就通过一般用户能抓取到的数据,窥探一个SSD的质量好与坏,让普通用户也可以根据这些表面数据,来选择合适自己的SSD。

京东上SSD品类有8000多个商品可供选择

一、闪存颗粒数对SSD质量的影响

前文我们提过,NAND闪存技术从SLC发展到MLC再发展到TLC,目前主力提供商包括三星、海力士、东芝、美光、Intel和闪迪(被西部数据收购),并且以TLC为绝对主力(3D NAND),还有少量的MLC。

每一家闪存供应商都有自己的战略布局,例如三星的闪存在性能上表现优越,成为高性能手机的主力者和首选(华为手机就曾因三星UFS供应问题而躺枪)。Intel的闪存在手机里面难觅其踪,因为大量搭配其CPU用在了服务器领域,以稳定性和容量著称,而非性能。

我们在当前市面上非原厂品牌SSD中看到的闪存,三星和海力士的用得最少,主流多以东芝/闪迪和Intel/美光为主。

任何一个SSD需要两部分协作方可稳定运行,即主控+闪存。主控对闪存类型支持的越多,就可以打造更丰富的产品,自然更有价值,这是基本的商业逻辑,但是当前市场上虽然很多主控厂声称支持所有原厂闪存,但实际上对韩系闪存的支持一般般。

比如说Intel 2016年推出的3D NAND,代号是L06B、B0KB,其中L06B是MLC颗粒,采用ONFI 4.0标准,每个Die容量为32GB,页面尺寸为16KB,使用4层设计,闪存寿命是3000 P/E(编程擦写循环)。

B0KB则是TLC颗粒,其实采用的是同一芯片,用户可以根据需求选择采用MLC模式和TLC模式,单个Die的容量达48GB,不过寿命只有1500 P/E,所以需要更高的LDPC ECC纠错标准。

Intel 3D NAND架构

将多个Die堆叠封装为闪存颗粒,MLC闪存容量就可选32GB到512GB(16层堆叠),TLC闪存则可以从48GB到768GB。

通过多Die封装的方式,可以让单颗闪存颗粒容量越做越大,而这些颗粒用于SSD,就存在一个很基本的逻辑,即质量越高的Die,可封装的层数越多,容量越大;一个SSD采用的颗粒数越少,出问题的几率就越低。

所以,在挑选SSD的时候,颗粒越少同时容量越大,证明该SSD的质量越高。

近期从某拆解网站上看到的120GB SSD采用了8颗TSOP封装颗粒

入门级的120GB、240GB固态硬盘,若是两三年前TLC还未普及的时候,有可能会采用多颗颗粒的方式,但是在目前TLC已经成为主流的情况下,用户在选择的时候还需要先掂量掂量。

近期从某拆解网站上看到的640GB SSD采用单颗BGA封装颗粒

这颗应该就是前面谈到Intel TLC单颗能做到的最大容量768GB,一颗就能打造出640GB容量的SSD。

二、OP预留空间对质量的影响

OP预留空间,英文名称Over-Provisioning,是指SSD内部由主控芯片控制的、用户不可操作的隐藏空间,用于主控各种优化机制的操作,诸如GC垃圾回收、磨损均衡等。

通俗来讲,SSD预留的OP空间越多,越能提高GC回收、磨损均衡等的性能,从而提升和保持SSD持久高速,不会掉速,自然就会越稳定,返修率越低,寿命更长。

不同使用容量的OP占比(来源于Kingston官网)

在MLC时代,128/256/512GB SSD容量较为常见,,在迈入TLC时代之后,120G/240/480GB 更常见一些,Intel SSD在服务器市场上还出现了360/800GB,而美光针对消费类更是喜欢推出275/525GB这种奇葩容量。

可以推算出来,360GB SSD如果闪存原始容量为512GB,OP空间预留比例就高达42%。275GB SSD如果使用192GB+96GB(与Intel共厂生产的B0KB),则OP值为4.7%。

可以看到,原厂在制作SSD的时候,会根据不同市场设定不同的OP值来满足于市场。对于非原厂类的品牌,若是TLC产品,必然是OP值越大越好。

组装机电商用320G做主力硬盘降低返修率

可以观察到,国内较大规模的组装机电商经常用到320GB、160GB这种特殊容量,原因是这类产品有较大OP预留。如果是192GB开卡为160GB,OP值为20%,通过降低返修率,可以降低其返修带来的往返运费。

Intel针对服务器使用的S3520系列

Intel S3520采用的是MLC颗粒,入门级的150GB容量如果用256GB颗粒制作,预留的OP值达70%!通过大量的OP值预留,可以保证稳定运行在服务器上,这也印证了前文所提及的Intel闪存的企业战略——优先满足于服务器的需求。

三、不要被SSD速度“误导”了

SSD的速度取决于两个层面,即主控的运作方式和所采用的NAND闪存。

在闪存速度层面,三星一直是Bug般的存在,同级别闪存中确实不可匹敌,而在主控层面,不同的解决方案就会带来以不同的SSD表现。

在当前的TLC时代,主控给出的廉价解决方案为:将部分TLC模拟SLC模式,先让SLC这部分当搬运工,数据写入SLC,效率最高;SLC写完之后,主控亲自上阵当搬运工,这时候才能体现出TLC的真实速度。

前面提到TLC是1个Cell存储3个bit,SLC是1个Cell存储1个bit,故TLC模拟SLC模式,最多也只能模拟到全盘的1/3容量。

为了满足不同用户的需求,主控厂商们还给出了另外一个解决方案,即在TLC模拟SLC的同时,增加一颗DDR缓存颗粒,让缓存颗粒协助搬运数据,一般是1GB闪存应对1MB缓存的匹配关系。

不带缓存480G SLC模式下的测试(40G写入)

不带缓存480G填充全盘1/3以上测试(40G写入)

带缓存的500G填充全盘1/3以上测试(40G写入)

这个工具叫做HD Tune Pro,能让用户实打实地测试出SSD的真实效能,不轻易被品牌工厂和媒体误导。

之所以没有测试填充后的读取,是因为SSD的读取基本是不变的,一般我们用到SSD的时候,比如说玩游戏,也基本都是读取操作。

时至今日,仍有人误导用户说机械硬盘比固态硬盘好,也有人说SSD性能不如U盘,实在是贻笑大方。

通过上面三张图的比较我们可以得出以下结论:

1、不论是带DDR方案还是不带DDR方案,就写入比较而言,模拟SLC段的写入都是大同小异的。

2、当SLC模拟容量填充完之后,写入速度就会出现变化。主控带DDR的解决方案的平均速度是不带DDR的平均速度的一倍以上。

3、不论是带DDR还是不带DDR方案,均会出现最低速度低于10MB/s的情况,这是因为主控在搬运数据的时候的垃圾回收功能决定的。在看一个SSD的写入的时候,最好的考核参数是平均写入速度,而最高值和最低值均只能作参考。

如果你每天需要大量的拷贝吸入,选择带DDR的解决方案或者三星的SSD会是最好的选择。

四、国产闪存任重而道远

最后,我们来看看国产闪存的趋势和进度。

长江存储最近宣布,32层堆叠的64Gb 3D闪存将会在2018年达成小规模量产,2019年64层堆叠的128Gb 3D闪存将进入规模研发的阶段。

单Die 64Gb也就是8GB容量,而我们在前文谈到Intel上一代代号为B0KB的TLC为单Die 32GB,当前量产的代号为B17的TLC为单Die 64GB。

这样一来,即使国产闪存的良率与国际大厂一致,成本差异也将达到8倍。如果摩尔定律在闪存中继续生效,国产闪存的成本仍然需要很长的时间才能实现市场化竞争。

当前中美贸易战争还在继续,面对这种受制于人的局面,只能由衷地祝愿国产闪存能够早日实现技术革新并规模化量产,这样我们也能早日能用上中国芯的SSD产品。

NAND技术还在继续发展,并仍然遵循摩尔定律,可以大胆地预测,当QLC时代正式来临,SSD彻底取代HDD将成为可能。

在SSD的选择上,我们需要掌握一定的基础知识,遵循基础的选购逻辑,这才能避免掉入别人的忽悠陷阱。

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