闪存性能和耐久度不堪入目？别慌，新一代超高性能闪存来了

在闪存容量越来越大的同时，性能成为成本妥协的牺牲品。正如大家看到的历史，从SLC、MLC、TLC直到QLC和未来PLC，NAND闪存的性能、耐久度都会衰减。为了填补闪存和内存之间逐渐拉大的差距，高性能闪存的需求不断增长。

日本网站PC Watch近日整理了铠侠（原东芝存储）在今年2月18日于ISSCC国际固态电路峰会上的演讲内容，披露了大量关于铠侠XL-Flash超高速闪存芯片的信息。

XL-Flash是继英特尔3D XPoint、三星Z-NAND之后的又一个新型高速闪存技术。与3D XPoint所属的PCM技术相比，基于NAND的XL-Flash能随堆叠层数增长提供良好的成本收益。目前公布的信息显示，初代XL-Flash将使用96层堆叠技术，单die容量达到128Gb。

铠侠还将XL-Flash与三星的Z-NAND进行了对比。占据后发优势的XL-Flash在存储密度（Capacity）和写入延迟（tProg）上拥有明显优势，仅读取延迟（tR）比Z-NAND稍大一些。XL-Flash和Z-NAND都有比普通3D TLC闪存强出多倍的性能指标。

XL-Flash使用SLC（1bit/cell）结构，单个Page大小也从3D TLC闪存的16KB降低到4KB，使用16平面结构（8倍于BiCS4 3D TLC）。平面数量的增多缩短了闪存中字线和位线的长度，使闪存访问速度更快。

下图是96层堆叠的3D TLC闪存（左）和XL-Flash（右）对比，XL-Flash中外围电路与硅芯片的比例更大、更复杂。

从基础原理上来说，铠侠推出的XL-Flash并没有脱离它的前身东芝存储在1987年发明的NAND闪存。不过XL-Flash并不是简单的3D SLC闪存，由它制成的固态硬盘性能将明显优于当前固态硬盘的SLC缓存部分，特别是低队列深度下的随机读写IOPS（这部分也是傲腾SSD的魅力）。

XL-Flash将存储单元阵列划分成16个平面，从而令字线延迟时间减少到原有的1/20左右。此外，针对平面接地电位以及温度补偿电路的优化也对降低读取延迟带来帮助。最终的结果是XL-Flash的读取延迟仅有普通3D TLC闪存的5%。

为了提升写入性能，铠侠在XL-Flash中将编程准备时间（PP）缩短到过去的三分之一，并优化编程和验证的操作顺序，使得原本需要200至300μs的编程时间缩短到75μs。

普通消费者不一定关心技术的具体实现方法，但也有好消息带给大家，铠侠对XL-Flash超高性能闪存采取了较为开放的态度（而不是像傲腾和Z-SSD那样封闭），这意味着可以有众多的主控去支持它，从而产生更加丰富的终端产品。根据之前的消息，XL-Flash闪存将在今年内完成出样。

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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