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nand flash 擦除 block SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

发布时间 : 2024-10-06

作者 : 小编

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SSD学习笔记-NOR, NAND, FTL, GC基本概念

NOR v.s. NAND

两者都是非易失存储介质。即掉电都不会丢失内容, 在写入前都需要擦除。

NOR有点像内存，支持随机访问，这使它也具有支持XIP（eXecute In Place）的特性，可以像普通ROM一样执行程序。现在几乎所有的BIOS和一些机顶盒上都是使用NOR Flash，它的大小一般在1MB到32MB之间，价格昂贵。

NAND Flash广泛应用在各种存储卡，U盘，SSD，eMMC等等大容量设备中。

NOR VS NAND - 场景

如果以镁光（Micron）自己的NAND和NOR对比的话，详细速度数据如下：

NOR VS NAND - 性能

NAND Flash

NAND Flash目前的用途更为广泛，它的颗粒根据每个存储单元内存储比特个数的不同，可以分为 SLC（Single-Level Cell）、MLC（Multi-Level Cell）和 TLC（Triple-Level Cell）三类。其中，在一个存储单元中，SLC 可以存储 1 个比特，MLC 可以存储 2 个比特，TLC 则可以存储 3 个比特。NAND Flash 的单个存储单元存储的比特位越多，读写性能会越差，寿命也越短，但是成本会更低。现在高端SSD会选取MLC甚至SLC，低端SSD则选取TLC。SD卡一般选取TLC。

SLC，MLC，TLC

NAND Flash的组成

一个典型的Flash芯片由Package, Die, Plane, Block和Page组成，其中die内部可以通过3D 堆叠技术扩展容量，譬如三星的V-NAND每层容量都有128Gb（16GB），通过3D堆叠技术可以实现最多24层堆叠，这意味着24层堆叠的总容量将达到384GB！

NAND Flash组成

写放大

Block是擦除操作的最小单位，Page是写入动作的最小单位，一个Block包含若干个Pages。当我们有了块干净的Flash，我们第一个想干的事就是写些东西上去，无论我们是写一个byte还是很多东西，必须以page为单位，即写一个byte上去也要写一个page。要修改一个字节，必须要擦除，擦除的最小单元是Block。

Flash Translation Layer (FTL)

NAND flash的寿命是由其擦写次数决定的(P/E数 (Program/Erase Count)来衡量的)，频繁的擦除慢慢的会产生坏块。那么我们如何才能平衡整块Flash的整体擦写次数呢？这就要我们的FTL登场了。

Flash Translation Layer原理

FTL简单来说就是系统维护了一个逻辑Block地址（LBA，logical block addresses ）和物理Block地址（PBA, physical block addresses）的对应关系。有了这层映射关系，我们需要修改时就不需要改动原来的物理块，只需要标记原块为废块，同时找一个没用的新物理块对应到原来的逻辑块上就好了。

垃圾回收（GC，Garbage Collection）机制定期回收这些废块, 和Java，GO等语言的GC机制类似，应用不需要像C/C++那样关注内存释放，GC定期扫描，回收释放内存。目标是让Flash最小化擦除次数，最大化使用寿命。

NAND Flash是如何生产出来的？

Hardy(晗狄) 架构师技术联盟

NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质，基于浮栅(Floating Gate)晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，电荷被储存在浮栅中，它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。关于NAND Flash技术基本原理之前有过讲解，大家可以参考文章闪存技术最全面解析。今天主要讨论下NAND Flash生产过程、架构 和关键指标 。

NAND Flash是从原始的硅材料加工出来的，硅材料被加工成晶圆(Wafer) ，一片晶圆上可以做出几百颗NAND FLASH芯片。芯片未封装前的晶粒成为Die，它是从Wafer上用激光切割而成的小片，每个Die就是一个独立的功能芯片，它由无数个晶体管电路组成，但最终可被作为一个单位封装起来成为闪存颗粒芯片。下面是NAND Flash芯片的详细加工过程。

NAND Flash的容量结构从大到小可以分为Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell 。一个Device有若干个Die(或者叫LUN)，每个Die有若干个Plane，每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应着一个Wordline。

Die/LUN是接收和执行FLASH命令的基本单元。不同的LUN可以同时接收和执行不同的命令。但在一个LUN当中，一次只能执行一个命令，不能对其中的某个Page写的同时又对其他Page进行读访问。下面详解介绍下这些结构单元和之间的联系。

Device就是指单片NAND Flash，对外提供Package封装的芯片，通常包含1个或多个Target；

Target拥有独立片选的单元，可以单独寻址，通常包含1或多个LUN；LUN也就是Die，能够独立封装的最新物理单元，通常包含多个plane。

Plane拥有独立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K个奇数Block或偶数Block；

Block是能够执行擦除操作的最小单元，通常由多个Page组成；Page是能够执行编程和读操作的最小单元，通常大小为4KB/8KB/16KB/32KB等。

Cell是Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit数据，主要可颗粒类型。

下图是一个FLASH Block的组织架构，每个Cell的漏极对应BL(Bitline) ，栅极对应WL(Wordline) ，源极都连在一起。每个Page对应着一个Wordline，通过Wordline加不同电压和不同时间长度进行各种操作。

一个WordLine对应着一个或若干个Page，对SLC来说一个WordLine对应一个Page；而对MLC来说则对应2个Page(Lower Page 和Upper Page)；Page的大小与WordLine上存储单元(Cell)数量对应。

Data Retention(数据保存力) 是用于衡量写入NAND Flash的数据能够不失真保时间的可靠性指标，一般定义为在一定的温度条件下，数据在使用ECC纠错之后不失真保存在NAND Flash中的时间；影响Data Retention 最大的两个因素是擦写次数和存储温度。通常情况下企业级SSD盘的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218标准，即40℃室温下，100%的PE Cycle之后，在下电的情况Data Retention时间要求达到3个月。

NAND Flash写入前必须擦除， Block擦除1次后再写入1次称为1次PE Cycle ，Endurance (耐久性) 用于衡量NAND Flash的擦写寿命的可靠性指标；Endurance指的是在一定的测试条件下NAND Flash能够反复擦写数据的能力，即对应NAND Flash的PE (Program/Erase ) Cycle。

Bit Error Rate(BER) 指由于NAND Flash颗粒概率发生Bit位翻转导致的错误，其中，RBER (Raw Bit Error Rate) 指没有经过ECC纠错时出现一个Bit位发生错误的几率，RBER也是衡量NAND品质的一项指标。RBER是NAND自身品质的一个特性，随着PE次数的增加会变差，出错趋势呈指数分布，其主要原因是擦写造成了浮栅氧化层的磨损。

UBER(Uncorrectable Bit Error Rate) 指发生不可纠正ECC错误的几率，即一个纠错单元Codeword内发生bit位翻转的位数超出ECC算法可纠能力范围的几率。

DWPD(Diskful Writes Per Day) 指每日写入量。SSD的成本($/GB)随DWPD增加会变高，未来SSD的趋势预测读密集型当前已占50%，未来的占比会逐渐变大。