忆联带你读懂闪存原理与颗粒类型

NAND 闪存作为如今各种电子设备中常见的非易失性存储器，存在于固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器和智能手机存储等器件。而随着电脑终端、企业存储、数据中心、甚至汽车配件等应用场景要求的多样化，NAND闪存的存储方式和堆叠技术也在持续演进。

本文忆联将围绕闪存颗粒相关的概念以及发展趋势做介绍。

NAND闪存单元

NAND闪存基于浮栅晶体管，通过其中所存储的电荷量表示不同的数据。NAND 闪存由NAND闪存单元（cell）组成，每个单元包含一个浮栅晶体管、一个源极和一个漏极。

简易的NAND闪存单元示意图

在最简单的形式中，当浮栅充电时，它被识别为“编程”状态并标记为0。当浮栅没有电荷时，它被识别为“擦除”状态并标记为1。

浮栅内部捕获的电子数量与单元晶体管的阈值电压成正比。若捕获大量电子，晶体管则实现高阈值电压；若捕获少量电子，则形成低阈值电压。

如果周围的电路没有改变，浮栅处于绝缘状态，其存储的电荷就保持状态不变，即使器件断电后数据也不会丢失。因此，NAND闪存便具备了非易失性。

然而，NAND闪存每个单元的编程/擦除（Program/Erase，简称P/E）次数是有限的。在电压作用下，电子在硅衬底和浮栅之间穿过氧化物实现移动的过程，称作“隧穿”。这个过程会造成隧道氧化层上的应力并且逐步破坏氧化层，因此浮栅最终将无法保持电荷，届时闪存单元也无法使用，将被归入坏块池。

NAND闪存类型

根据每个单元可以存储的位数，NAND闪存类型可以进一步分为SLC、MLC、TLC和QLC。

各NAND闪存类型的单元状态

SLC（Single-Level Cell，单层单元）：每个存储单元仅存储一个比特的信息，即0或1。由于每个单元只有2种状态，SLC NAND闪存的存储密度较低，但具有快速的写入速度、耐久的P/E次数，成本也最高。

MLC（Multi-Level Cell，多层单元）：每个存储单元可以存储多个比特，通常是2个或4个比特。这里是相对于SLC而言，仅指存储两个比特的多层单元，其具有4种单元状态。

TLC（Triple-Level Cell，三层单元）：每个存储单元可以存储3比特，具有8种单元状态。

QLC（Quad-Level Cell，四层单元）：每个存储单元可以存储4比特，具有16种单元状态。

通过在每个单元中存储更多的比特，MLC、TLC和QLC NAND 闪存的存储密度依次提高、成本下降、芯片外观尺寸也大大缩减，但相应地，数据写入速度变慢、P/E次数减少。

目前业内早已在研制PLC（Penta-Level Cell，五层单元），即每个存储单元可存储5比特信息，进一步提升存储密度并降低成本。但同时，对存储单元划分越来越多的电压阈值，读写操作对电压以及电子数量的精确度要求就越高，由此进一步对性能以及损坏率带来了挑战。

颗粒优缺点

基于各类型存储单元的闪存颗粒，在性能、使用寿命和成本等方面的对比如下表所示。

单从成本角度考虑，QLC颗粒显然最具有优势，但是实际由于其电压状态较多，控制的难度较大，进而带来了颗粒稳定性和耐久性的问题。因此，四种颗粒的性能和寿命反而是依次下降的。

以SSD存储为例，选用颗粒时忆联建议可以参考如下几个原则：

性能和可靠性要求：如果对这两方面要求较高，那么可以考虑SLC颗粒的高耐用性和快速读写性能。此类高要求常见于金融、医疗、军事设备等行业，但由于市面上SLC颗粒已经很难见到，这类颗粒往往需要定制。

性价比要求：对于存储容量和成本都有一定要求的情况下，可以考虑MLC颗粒，其具备相对合理的容量/价格比，常见于消费电子、普通企业服务器等行业。

存储密度要求：如果对存储密度有要求，也不需要极致压缩成本，可选用TLC颗粒，常见于云存储、大数据分析等场景。

海量存储要求：QLC颗粒可以以极低成本实现海量数据存储，部分应用如数据中心、云存储等特定场景可以考虑此类颗粒。

因此，根据应用场景的特定需求，用户可以灵活选用不同的闪存颗粒，实现在存储容量、读写性能、寿命和成本上的平衡。

3D NAND发展趋势

伴随着存储密度的持续提升，NAND闪存设计制造也正在经历从平面到立体、从2D到3D的演进。

2D NAND的容量取决于单Die上容纳的单元数量以及每个单元可以存储的比特，其发展很容易遇到瓶颈。而相较于2D NAND的水平堆叠，3D NAND更像摩天大楼，利用纵向维度，把闪存颗粒在立体空间内进行多层垂直堆叠。

从具体设计和实现上来看，3D NAND也更多地采用电荷捕获型结构（charge trap）而不再单纯沿用浮栅设计，或将电流路径从单晶硅通道提升为多晶硅通道等，扩大了空间。

3D NAND技术已广泛应用于终端SSD，可以大幅度优化性能、功耗、耐用性以及成本，借助纠正技术和均衡算法也进一步提高了存储系统的可靠性，满足数据中心、云计算和更多的关键应用场景下的存储需求。

聚焦于SSD存储领域，硬盘的性能和稳定性在很大程度上取决于其主控制器与NAND颗粒之间的协同工作方式。作为硬盘的大脑，主控制器将精确控制NAND的所有操作并通过算法优化来延长SSD的整体寿命与性能提升。

忆联自研存储控制器芯片目前已支持SLC、MLC、TLC与QLC全部四种颗粒，且前三者已实现产品化。关于主控的更多介绍，请关注忆联后续的专题文章。

我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

【IT168 评论】无论消费者还是企业机构，大多数人在谈到闪存时，首先想到的就是NAND闪存。从一定的现实意义上来讲，NAND闪存可以说已经成为固态硬盘的代名词。基于块寻址结构和高密度，使其成为磁盘的完美替代品。

　　NOR闪存是另一种与NAND不同的闪存类型，它具有不同的设计拓扑结构，某些特定的应用场景下更为适合。在比较NAND和NOR闪存在不同应用中的相对优势和适用性之前，检查其结构差异是很重要的。

　　NAND闪存产品是当今已经达到高水准的存储芯片，是当前市面上嵌入式以及独立式SSD的主要原材料。多层单元(MLC)技术和3D制造工艺的结合，将NAND存储单元垂直蚀刻到硅衬底上，使存储密度和NAND芯片容量呈几何级增长。

　　NAND与NOR电路基础

　　尽管NAND闪存是这两种非易失性内存技术中相对流行的一种，但NAND和NOR都是由同一名东芝公司的工程师在上世纪80年代中期发明的。要理解这两个种类的区别和命名，需要简要回顾一下逻辑门的基础知识。

　　NAND和NOR分别涉及到布尔逻辑函数中的逻辑“和”（and）以及“或”（or）。如下所示，NAND和NOR都生成响应两个二进制输入的输出。

响应两个二进制输入的NAND和NOR输出

　　NAND和NOR逻辑门仅仅为它们各自的功能实现了上面这个真值表。

　　NAND门在概念上是作为AND门实现的——当两个输入都是1时输出1——后面跟着一个NOT门，这是一个逻辑反转。相应的，NOR门在概念上是一个OR门——有任何一个输入是1时输出1，然后是NOT门，这是一个逻辑倒装。

　　布尔逻辑的背景对于理解NAND和NOR闪存至关重要，因为闪存单元被连接到一个行和列的数组中。在NAND闪存中，一组中的所有单元(通常是一个字节的倍数，取决于芯片的大小)共享一条位线，并以串行方式连接每个单元，每个单元连接到一个单独的字行。同一字行连接一个内存块中的多个字节，通常为4 KB到16 KB。因此，只有当所有的字线都是高或单状态时，位线才会降低或变为零状态，这实际上将内存组转换为一个多输入NAND门。

　　与此相反，NOR闪存并行组织位线的方式是，当位线和字线都处于低或零状态时，内存单元只保持高或单状态。

　　NAND单元的串联结构使得它们可以通过导电层(或掺杂层)连接在衬底上，而不需要外部接触，从而显著减少了其横截面积。

　　NAND闪存单元的串联连接意味着它们不需要单元之间通过金属层进行外部接触——而这正是NOR拓扑结构所需的。使用导电层连接硅衬底上的单元意味着NAND闪存的密度通常比NOR高两个数量级，或100倍。此外，组内单元的串联连接使它们可以垂直地堆积在3D数组中，位线类似于垂直管道。

　　相反，由于NOR闪存单元不能单独寻址，因此它们对于随机访问应用程序更快。

　　NAND与NOR产品类型

　　这两种类型的闪存具有明显的特性和性能差异，它们有各自最适合的应用程序类型。除了容量外，NAND和NOR闪存还具有不同的运行、性能和成本特性，如下图所示。

　　这两种闪存中也有几种不同的产品类型，它们在I/O接口、写入持久性、可靠性和嵌入式控制功能方面有所不同。

　　NAND闪存产品类型

　　NAND闪存以单层（SLC）、多层（MLC）、三层（TLC）或四层（QLC）的形式在每个单元（cell）中存储bit，分别为1 bit/cell、2 bit/cell、3 bit/cell、4 bit/cell。要确定哪种类型的NAND最适合于工作负载，简单来说，每个单元的位数越高，其容量就越大——当然，是以数据持久性和稳定性为代价的。

　　NAND设备只是没有任何外围电路的存储芯片，这些外围电路使NAND闪存可以在SSD、U盘或其他存储设备中使用。相比之下，托管型NAND产品嵌入了一个内存控制器来处理必要的功能，比如磨损调平、坏块管理(从使用中消除非功能性内存块)和数据冗余。

　　NOR闪存产品类型

　　串行设备通过只暴露少量(通常是1到8个)I/O信号来减少包的pin数。对于需要快速连续读取的应用程序来说，这是理想的选择。NOR闪存通常用于瘦客户机、机顶盒、打印机和驱动器控制器。

　　并行NOR产品暴露多个字节，而且通常使用内存页而不是单独的字节进行操作，更适用于启动代码和高容量应用程序，包括数码单反相机、存储卡和电话。

　　两种闪存都是不可或缺的

　　NAND是闪存的主力，广泛用于嵌入式系统和SSD等存储设备的大容量数据存储。不过，NOR 闪存在存储可执行的启动代码和需要频繁随机读取小数据集的应用程序方面起着关键作用。显然，这两种类型的闪存将继续在计算机、网络和存储系统的设计中发挥作用。

　　原文作者：Kurt Marko

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