V-NAND到底是个啥？三星970EVO Plus强悍性能的背后

当我们在聊固态硬盘的时候，我们到底在聊些什么？经历了十数年的行业发展后，固态硬盘的技术规范和产品形态上逐步实现了统一，各家产品的差异已然上升到了内部架构和核心组件方面的技术代差上了。

简单剖析，固态硬盘产品的内核无外乎三大组件，用于调控整体存储功能和特殊机制的“大脑”即主控芯片，产品内部制作成本最高、担当存储重任的闪存颗粒，以及部分产品上用于产品支撑的缓存颗粒。

至于重要性而言，一举打破存储行业格局，让固态硬盘走入千家万户的存储介质，即闪存颗粒部分，可以说是区别固态硬盘好坏的最重要的内核组件。今天，笔者就以业界知名的三星970EVO Plus为实例，简单聊下关于闪存颗粒的技术和功能演变。

01 关于NAND闪存：单位电荷数Bit的变迁

NAND闪存，按照业界一般的理解， 本质上是一种长寿命的非易失性(在断电情况下仍能保持所存储的数据信息)的存储器，其中非易失性的突出特点，使得这种基于通断电存储的介质能够长久的保存数据，最终使得NAND闪存颗粒走向了前台；其实，熟悉闪存的朋友，可能还听过另一个词，即Dram颗粒，即动态随机存取存储器，同样是基于通断电的特性，只不过DRAM芯片的每次存储数据的过程中需要对于存储信息不停的刷新，无法实现长久存储，因而错过了这次“C位出道”的时机。

三星原厂NAND闪存颗粒

NAND闪存工作的原理是通过单位NAND内部电荷数Bit的通电和放电，实现对数据的存储。基于无机械结构的电荷存储优势，NAND闪存技术能够提供包括高性能、稳定、耐摔耐磕碰、一体成型故障率低等多种特点，迅速成为了各家存储厂商研发的重点。

因而，为了进一步提升NAND闪存容量，满足用户对于大容量存储的需求，在以三星、东芝、Intel等领先的NAND原厂推进下，研发出了不同电荷数Bit的多种NAND颗粒，即为SLC(1bit）、MLC（2bit）、TLC(3bit)、QLC(4bit)以及处于实验阶段即将量产的PLC（5bit）等类型。

不同颗粒类型的bit数分布

可随着单位电荷数Bit的堆叠，带来了两个后果，一是单位电荷Bit的增加对于半导体工艺制程的要求越来越高，从50nm制程一路升级到14/15/16nm制程，半导体制程工艺越来越无法满足更多单位电荷数Bit的堆叠了；二是单位电荷数Bit的堆叠，会在狭小的NAND闪存内部产生大量的干扰电流，严重影响闪存产品的性能和寿命。

02 三星V-NAND技术：从平面到垂直的创新性探索

为了解决单位堆叠的带来的电荷干扰问题以及半导体工艺的瓶颈，三星创新性的提出了在原有制程的基础上将NAND闪存以3D堆叠的形式，封装在NAND闪存之中，一方面解决了在平面的狭小空间内多个电荷数排列产生的电子干扰问题，保证了产品的质量和性能；

全球首款V-NAND技术产品

更为重要的是，解决了工艺制程无法推进容量提升的瓶颈，用3D堆叠替代2D平面排列，让NAND闪存以垂直的形式进行排列，进而提升了总体的容量。

V-NAND和普通2D NAND

朴素的理解就是，此前的NAND闪存就像在单位面积的地基上盖平房，平房的容积是恒定的，要想提升入住人口，只能无下限的降低单位容积率，其后果就是制造工艺和电磁干扰；

而V-NAND技术诞生之后，2D的平房变成了3D垂直的楼房，理论上只要高度不限制，单位面积的地基上的可利用容积几乎等同于无限，即避免了制程工艺的瓶颈又解决了电磁干扰的问题。

01 V-NAND技术是三星970EVO Plus强劲性能的有力支撑

三星V-NAND技术从2013年引入市场，便引发了全行业的关注，从初代的32层（即在单位面积上的堆叠层数）到后续的64层，直到9X层，根据公开消息，三星V-NAND技术或将提升到200+层堆叠，最大限度的提升单位闪存的利用率。

而笔者手中这款三星970EVO Plus便是采用三星全新V-NAND技术研发的旗舰级产品，基于V-NANDND技术在容量和稳定性上巨大优势，搭配着三星自研的Phoenix主控，使得三星970EVO Plus的性能实现了超越。

根据官方提供的数据，三星970EVO Plus最大读取性能达到了3500MB/S，最大写入性能也达到了3300MB/S，几乎达到了消费级固态硬盘的巅峰水准。作为一款推出了数年的旗舰级固态硬盘，在即将踏入存储新纪元的当下，依旧没有任何一款同级别的PCIE3.0固态能够在性能上实现对970EVO Plus的绝对超越。

实测性能

这背后的原因，无外乎三星在V-NAND技术上的近十年的积累，以及在此基础上进行的主控配对和优化。

多说一句，随着PCIE4.0时代的来临，三星也将在新世代推出旗舰级980PRO固态硬盘，进而延续PCIE3.0时代的行业地位，可以预见的是，980PRO固态硬盘依旧会在V-NAND堆叠、主控性能方面实现大跨越的升级，至于三星970EVO Plus则还是会成为PCIE3.0世代下的王者存在。

CTAN017：读取干扰错误处理

1 简介

对闪存设备来说，一些应用大部分都是读操作，基本没有写操作。例如一个赌博游戏的应用，软件一旦加载到闪存卡上就只有读操作，并禁止非正常的写入操作。

对闪存设备来说，没有写操作的这类应用，用户选择使用MLC NAND，认为MLC的耐用性，在被无限的读取操作中，不会出现问题。然而，实际状况却不是这样！从实际应用中长时间收集的数据来看，即使只有读操作，在MLC NAND设备中，也会损坏NAND。

原因：读取操作中产生的干扰错误，对闪存来说是致命的。尤其是小制程工艺的MLC（24nm以下）

在本文中，我们将解析读取操作产生干扰错误的原因，及极存的闪存产品，使用了哪些方法来减少、避免这些问题。

2 读取干扰错误

在一个NAND FLASH阵列里面，存储单元(cell)在一个长的串型结构里面，功能相当于一个多输入的与非门。

在一个读取操作期间，给选择到的字线(wordline)施加一个可以读操作的阀值电压，给未选择到的字线高电压，这样NAND里面所有的存储单元都被完全控制。

被选择的存储单元的状态 会被传送到传感运放。偏置条件如下图1:

图 1: 读取偏置条件

这个偏置条件，会导致其他未选择到的字线控制的存储单元被缓慢编程(漏电)，如果这个读取操作偏置条件被重复多次，最后，未选择的字线里面的cell将缓慢的上升到被编程状态，并导致传感错误，这个状态如下图：

图2: 读取干扰

附近cell的交错噪声也会导致读取干扰错误。由于设备的制程收缩，这些交错噪声会进一步导致错误，具体如下图：

典型的干扰错误是在高温环境下，因为高温会加速存储单元里面电荷的运动。

如果不能正确处理读取干扰错误，最后将形成不能修复ECC错误而导致设备损坏。

3 读取错误处理

为了减轻读取错误的影响，极存产品实现了2个特征。

3.1 接近错误的ECC

根据ECC错误的检测阀值小于最大值，设备可以设置ECC的校正能力，当达到读操作的阀值时，错误的块将通过重新写数据而被刷新，根据不同的产品，重写操作在下次写命令时立即进行。

3.2 平均读写块

在平均读写块的过程中，每个块将对读取错误进行计数，总数会被监测并同预设置的阀值做比较，当达到阀值时，块将重写数据而被刷新。

注意产品会有很小的可能在刷新坏块时会产生很小的性能影响，一般仅仅在产品的寿命末期发生。

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