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nand闪存结构我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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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

闪存结构全解：固态硬盘小白晋升大师之路

正所谓"外行看热闹，内行看门道"，很多朋友搜寻一款固态硬盘的信息主要看性能跑分，而知识更加丰富的玩家则会重点关注这款固态硬盘的硬件架构，闪存规格以及主控、固件的口碑。毕竟除了跑分，还有很多因素影响着固态硬盘到底是否好用。

今天存储极客就将带你深入到固态硬盘以及闪存的基础知识当中，带你看懂行业"黑话"，不再一脸懵逼。

Channel：通道

提到一个固态硬盘的通道数量，多数时候说的是闪存通道，但M.2 NVMe固态硬盘会有PCIE通道的参数。我们这里谈的是前者。

闪存通道数量直接反映了固态硬盘的并发读写能力。可以简单理解为马路上有多少条车道，显然通道数量越多，理论性能越好。当然，还有很多影响因素，通道数量只是一个底子。

CE：片选信号

紧跟闪存通道之后的往往就是CE数量。经常可以在一些固态硬盘评测中看到这样的介绍，某某主控支持X通道，每通道支持Y CE。CE是Chip Enable片选的缩写，下图是一个东芝闪存颗粒的逻辑结构，2 Die封装，拥有两个CE信号。

除了通道可以并行提升吞吐量之外，多CE交错也可以提高固态硬盘性能。主控的闪存通道以及每通道支持的CE数量还会影响它最终能够提供多大的固态硬盘容量。

Package：封装

我们能够看到的一颗闪存就是一个Package封装，它有TSOP或者BGA两种形态，前者的引脚在封装两侧引出，后者则在封装的底部拥有一个球栅阵列。下图是东芝TR200固态硬盘中使用的TSOP封装闪存颗粒。TSOP和BGA本身没有好坏之分，通常在空间足够的情况下使用TSOP，而M.2固态硬盘则大都选择封装密度更高的BGA形态。BGA封装还有一个优势：每个颗粒能支持2个甚至4个闪存通道，而TSOP只能支持1个。

我们在上边看到的黑色颗粒并不是闪存的本来面目，那只是一到多个芯片通过引线键合或者TSV硅通孔工艺完成连接之后，再用树脂材料封装并引出针脚。而芯片则是从闪存晶圆中摘下的一小片合格晶粒。

俗称的原片就是由原厂检测并封装、打上原厂商标的高品质颗粒，原厂固态硬盘，比如上面提到的东芝TR200当中使用的就是这种类型的闪存。而白片则是未经原厂认证的不明体制闪存芯片封装成的闪存颗粒；黑片是在检测中明确被淘汰的下脚料，被利益熏心的人低价回收后赌人品。

Die：这里并不是死的意思

Die也被称作LUN（逻辑单元），也是闪存内可执行命令并回报自身状态的最小独立单元。下图是由4个Plane组成两个Die，两个die组成的芯片。

单Die容量是衡量闪存技术先进性的一个指标。单Die容量越大意味着闪存存储密度越高，做出来的固态硬盘容量也就越大。目前东芝第三代3D TLC闪存已经实现512Gb的单Die容量，如果是QLC类型，则能达到768Gb的水平。

Plane：面

一个闪存Die可以拥有1到多个Plane面。下图是东芝BiCS3闪存的一个512Gb Die，包含了两个256Gb容量的Plane面，总容量512Gb。

Block：块

接下来就到了微观领域，通常是无法直接看到外观的层级。NAND闪存自问世那一刻起就有一个恒定不变的使用要求：写入（Program）数据前必须先进行擦除（Erase），而闪存的最小擦除单位就是Block块。

Page：页

每个Block都是由数百乃是数千个Page页组成的，而Page的意义也非比寻常，它是闪存当中能够读取合写入的最小单位。当前闪存的一个Page通常是16KB，如果你需要读取512字节的数据，那在闪存层面上就必须把包含这512字节数据的整个Page页内容全部读出（实际发生的读取16KB）。

Cell：单元

每个16KB的Page页又是由大量的Cell单元构成。Cell是闪存的最小工作单位，执行数据存储的任务。闪存根据每个单元内可存储的数据量分成SLC（1bit/Cell）、MLC（2bit/Cell）、TLC（3bit/Cell）和QLC（4bit/Cell），成本依次降低，容量依次增大，耐用度也依次降低。目前3D TLC是闪存的主力类型，优质的原厂闪存配合具备LDPC纠错的主控，可以实现3000次左右的擦写寿命，与过去2D平面MLC闪存接近。

篇幅所限，本文中只能简单介绍闪存的知识，更多内容敬请收藏并关注存储极客的头条号。

我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

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