纳米技术走到尽头？为什么你买的固态硬盘不再标注闪存制程信息

在我们打开一个固态硬盘的产品信息页面时，总是能看到"采用3D NAND闪存"这样的介绍。大家是否想过，为什么3D结构会取代制程微缩成为闪存的发展方向？

15nm制程成为2D与3D闪存的分水岭，在15nm之后闪存不再像CPU那样继续向更先进的10nm、7nm制程迈进。是什么样的原因使得更先进的半导体制程与NAND闪存无缘？现在的3D闪存到底又是什么制程节点制造的？

TLC转折点

各种闪存新技术的出现，本质上都是为了降低每GB容量的成本。NAND闪存相比内存有一个优势，它在一个单元里可以存储多个比特(bit)的数据。这是制程微缩之外的另一种扩容量、降成本手段。当发展到TLC（3bit/cell）后，遇上麻烦了。

闪存单元的FG浮栅结构就像一个可以存储电子的桶，其中容纳的电子数量会影响到闪存单元的读取阈值电压Vth。在TLC中为了表达3比特数据已经需要用到8种不同的阈值电压，如果发展到QLC的4bit/cell结构，更需要区分出16种阈值电压，这就像蝇头小楷一样难以看清。

电子危机

制程微缩的过程进一步加剧了闪存危机，新制程的FG浮栅结构中能容纳的电子总数不断下降，发展到一个非常危险的水平。下图中的红线是过去BCH纠错技术下的可用界限，除非改变闪存结构，否则制程微缩将难以为继：制造出的闪存单元会因为能够容纳的电子数量太少而极其容易出错。

3D闪存架构提出

3D闪存就是攻城狮们找到的新结构出路。早在2007年，东芝就首次提出BiCS三维闪存结构，成功地解决了当代的发展难题。目前市场上在售的固态硬盘几乎全部使用了3D闪存。

3D闪存并不是简单地把闪存单元从平面堆叠成立体状态，而是涉及了基础的结构变化。下图为东芝BiCS三维闪存与传统平面闪存的结构对比。

最终结果使得闪存单元之间的间隙变大、读写干扰得到降低。同时，Charge Trap取代了传统的Floating Gate结构，有力地提升了闪存单元"抓住"电子的能力，降低了漏电速度。

3D闪存的制程信息

很多地方说3D闪存之所以更耐用，是因为使用了更老的制造工艺。这一点其实只适用于初代的3D NAND，40nm的制程使得初代的3D闪存非常昂贵，没有达到扩容量、降成本的初衷。

尽管闪存原厂都不再透露3D闪存的具体制程信息，TechInsights的分析报告还是给出了我们想要的答案：目前的64层堆叠、96层堆叠技术使用的都是19/20 nm制造工艺。

3D闪存的未来

现在3D闪存已经在固态硬盘当中大为普及，未来还会有4D闪存吗？其实4D概念去年就有闪存厂商提出，不过"4D"只是将闪存中的外围电路拿出来，置于存储单元阵列的下方，属于3D工艺的一个小改进。

目前的主流3D闪存拥有64层堆叠层数，东芝在去年率先宣布96层3D TLC。在即将到来的下个节点是96层堆叠与QLC的结合，东芝的96层BiCS4已实现1.33Tb/die的存储密度，如果以8die封装来计算，每个闪存颗粒就可以提供高达1.33TB的海量存储空间，手机和固态硬盘的容量即将迎来又一次爆发式增长。

SSD的中年体检：致钛PC005 Active 305TBW写入后复查

PCEVA评测过很多固态硬盘，它们当中的大多数在测试结束后就会离开评测室。当然也有一些“幸运儿”会被留用下来，参与到各种测试和应用当中。今年4月初评测的致钛PC005 Active 1TB目前写入量已经达到300TBW了，我们来看看它是否“老当益壮”。

CrystalDiskInfo按照1024进制来显示主机写入量，如果按存储行业通行的1000进制来计算的话，下图中SSD写入的数据量已经超过305TBW。致钛PC005 Active 1TB的标称写入耐久度为640TBW，305TB写入大致相当于已近中年。

作为测试样品，我们对PC005 Active的使用强度是很高的，很多家庭用户等到5年质保期结束也写入不了如此多的数据。从SMART信息给出的健康度信息来看，这块致钛固态硬盘还能用很久。

今天我们将这块“盘到中年”的致钛PC005 Active进行一次“体检”，顺便在HWiNFO64的帮助下测试重负载使用情况的散热和性能。测试平台和4月初评测时相同，均为酷睿i9-9900K和Z390主板，致钛PC005 Active通过PCIe转接卡连接到CPU直连通道。

中年体检：

人到中年多多少少会有一些小毛病，那么写入305TB之后的致钛PC005 Active 1TB固态硬盘是否“雄风依旧”？从CrystalDiskMark测速结果来看，致钛PC005 Active性能保持得很不错：

HDTune文件基准测试结果显示，致钛PC005 Active的SLC缓存容量依然是10GB左右。虽然缓存容量不大，但释放算法比较积极，在日常家用中很少会遇到缓存写爆的情况。

305TB写入后的致钛PC005 Active在PCMark 8存储性能测试得分5084，同全新状态时的成绩相同。

披挂再上阵：

既然性能上没有问题，接下来就要加练一些更高难度的项目了：满负荷压力测试。我们为致钛PC005 Active准备了两副“战甲”。第一个是比较常见的三明治结构，正面有一中等厚度的立体金属散热片、背面是一张平面金属散热片，二者通过金属卡扣结合，将SSD夹在中间：

第二个是在购买SSD的时候一些淘宝商家会直接赠送的简易散热片，它只有一块，并且厚度比较薄，通过橡皮筋固定在SSD上。这种散热片成本比较低，绑带长期使用后容易老化导致散热片脱落，优点是空间兼容性比较好：很多M.2插槽底部高度有限制，上图中的那种三明治散热片就无法安装，只能使用下图中的简易散热片。

温度压力测试方法的跟过去一样，采用IOMeter顺序读取的方式进行。理论上SSD在全速写入时的功耗可能比读取时更高，但写入测试的压力并非恒定，SLC缓存用尽之后写入速度相对较慢，压力有可能反不如全速读取时高。

在27度室温、未安装散热片的初始状态下，满载测试开始52秒后致钛PC005 Active温度读数达到70度，首次发生限速。限速23秒后温度被控制到66度以内，限速解除。但6秒后温度再次达到70度，温度管理机制再次介入，此后的测试过程中温度在68度到70度之间波动，未达到限速解除条件。

接下来是安装简易散热片的情况。首次过热限速发生在测试开始190秒后。温控机制介入27秒后，温度得到控制并出现了持续10秒时长的全速读取过程，直到温度再次达到70度并限速。此后的测试过程可以看到，每次读速恢复前的温控介入时间有延长的趋势。

最后是安装三明治散热片的情况，这次测试开始441秒后温度方才上升至70度并引发限速。从下图可以看到，在大致相等的测试时长内，读取速度的上下波动次数明显比安装简易散热片时更多，说明三明治散热片的散热能力更强，SSD获得更多恢复性能的机会。

上面三个测试是在满载情况下进行的，而SSD在作为系统盘使用的情况下，并不会长期满负荷工作，而是会有大量的空闲时间。接下来我们拆除安装在致钛PC005 Active 1TB上的散热片，以其出厂状态进行实际应用测试。

结合PCMark 8存储测试的RAW Result日志同HWiNFO64全程采集的数据，我们整理了以下实际应用中SSD的活动状态分析。

上面的这张图表和smartmontools的记录都可以确认，在整个PCMark 8存储测试的过程中致钛PC005 Active没有发生过热和限速事件，这是一个好消息！接下来我们分析上面这张图标中的更多深度内容。首先是读写速度，从图中我们可以看到峰值是出现在1247秒时，HWiNFO64记录到1101MB/s读取、1550MB/s写入。而在绝大多数时间内，读写速度都在200MB/s甚至更低的水平上。下图中单独把SSD活动时间拿出来看，100%满载的情况出现过很少的几次，而多数时候SSD活动时间是在60%以内，前面的满载测试只是人为创造了一个极端的使用条件，已经远远地超过了正常使用强度，所以才会有频繁的过热和限速发生。

回到读写速度图表来看，整个PCMark 8存储测试其实可以分成两部分，第一部分（黄色框内）是预填充的准备阶段，耗时主要跟SSD的容量有关。红色框内的第二部分有3个测试循环，每个循环都包括了魔兽世界游戏加载、战地3游戏加载、Photoshop轻度应用、Photoshop重度应用、InDesign应用、After Effects应用、Illustrator应用、Word应用、Excel应用和PowerPoint应用过程中SSD的读写负载。

接下来刨除测试准备阶段的读写记录，只看实际性能测试部分的3个测试循环（对应上图中红框内部分）。在将读取和写入分开统计之后不难看出系统盘IO活动具有读多写少的特点，所以在满负荷压力测试中使用顺序读取而非顺序写入，其实也是比较合理的选择。

写入速度峰值的出现位置对应的正是Adobe设计应用测试的部分，而游戏加载以及Office办公应用的写入强度相对则低得多。

分析完以上内容之后，我们来总结一下本次的测试结果，首先是对致钛PC005 Active固态硬盘的一个肯定：在写入超过300TB的数据之后，它的使用性能同新盘出厂态相比基本没有变化，做到了品质如一。

温度测试方面，M.2 NVMe固态硬盘因为发热集中，在满负荷工作时会出现过热保护现象。“温度墙”是NVMe固态硬盘的一种自我保护机制，当过热时主动限制性能输出来保护NAND闪存的正常工作。除了特殊的工控和车规产品之外，NAND闪存的耐温通常是以70度为上限。当闪存温度达到限制时NVMe固态硬盘就会表现出温度墙现象。

不过从上面我们对PCMark 8存储测试过程的分析可以看到，作为电脑系统盘使用的SSD很少有持续满负荷工作的情况，突发的高负荷读写会推高SSD温度，但很快就会在空闲时间内自然冷却降温。所以实际使用中即便是遇到了过热限速，其持续时间也不长，对整体性能的影响非常有限。如果对一些持续大负荷使用下的性能有疑虑，可以通过加装散热片来解决。而普通家用情况下我们无需担忧SSD的温度水平，智能的温控机制会自动打理好一切。

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