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nand闪存技术一文让你看懂三星第五代V-NAND技术

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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一文让你看懂三星第五代V-NAND技术

转自天极网

今年1月底，三星电子又发大招，推出采用第五代V-NAND技术的SSD产品——三星970 EVO Plus SSD。事实上，随着新一代3D NAND技术的不断成熟，速度更快的NVMe协议的SSD固态硬盘已经成为市场主流。

以前，我们见过的闪存多属于Planar NAND平面闪存，3D闪存则是立体堆叠的。打个比方，如果说普通NAND是平房，那么3D NAND则是高楼大厦。简单说，在3D NAND领域，谁堆叠的层数多，谁的产品性能就更先进。

众所周知，平面NAND闪存不仅有SLC、MLC和TLC类型之分，而且为进一步提高容量、降低成本，NAND的制程工艺不断进步。虽然更先进的制程工艺带来了更大的容量，但容量提升、成本降低的同时可靠性及性能都在下降。

与之相比，为提高NAND的容量、降低成本，存储厂商只需要堆叠更多的层数即可。

据悉，2bit MLC每cell单元存储2bit数据只需要一两打电子，3bit MLC(也就是TLC)的每个cell单元储存。随着制程工艺的不断革新，cell单元之间的干扰现象越来越严重。

三星的V-NAND不再追求缩小cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多cell单元，实现容量增多的目的。

传统上，SSD中使用的是浮栅极MOSFET(Floating gate MOSFET)，电子储存在栅极中，它相当于一个导体。这种晶体管的缺点是写入数据时，栅极与沟道之间会形成一次短路，这会消耗栅极中的电荷。

即每次写入数据，都要消耗一次栅极寿命。一旦栅极中的电荷没了，cell单元就相当于挂了，无法存储数据。

三星V-NAND闪存放弃浮栅极MOSFET，使用电荷攫取闪存(charge trap flash，简称CTF)设计。每个cell单元看起来更小了，但里面的电荷是储存在一个绝缘层而非之前的导体上，理论是没有消耗的。这种更小的电荷有很多优点，比如更高的可靠性、更小的体积。

据了解，使用CTF结构的V-NAND闪存被认为是一种非平面设计，绝缘体环绕沟道(channle)，控制栅极又环绕着绝缘体层。这种3D结构设计提升了储存电荷的的物理区域，提高了性能和可靠性。

相比传统的FG(Floating Gate，浮栅极)技术,三星NAND的电荷撷取闪存(charge trap flash，简称CTF)技术难度更小一点，因此这有利于加快产品量产。

目前，三星的3D V-NAND存储单元的层数(Layer)由2009年的2-layer逐渐提升至24-layer、64-layer，再到2018年的96-layer(层)。

参考资料：

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/21967038

2. https://zhuanlan.zhihu.com/p/48579501

3. https://news.mydrivers.com/1/273/273419.htm

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。

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