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nand闪存深度分析我们熟知的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

QLC大势所趋、PLC呼之欲出：英特尔NAND闪存为何这么优秀？

2020年10月，英特尔宣布以90亿美元的价格，将旗下NAND闪存业务出售给SK海力士，震惊业界。

但事实上，与其说是出售，不如说换个方式独立运营，英特尔并未放弃对于NAND闪存的投入，仍然持续推进相关产品和技术 ，去年12月就全球首发了144层堆叠的QLC，以及多款相关产品，涉及消费级、数据中心。

根据规划，英特尔将在未来几年内，逐步将NAND闪存、SSD固态盘的设计、制造、运营转移到SK海力士旗下，其推动NAND技术创新和对全球客户的承诺不会改变。

当然，英特尔NAND闪存不会面面俱到，主要还是关注数据中心领域，兼顾消费级客户端。

为了让大家更深入地了解英特尔NAND闪存技术优势，坚定对其前景的信心，英特尔近日也特别分享了一些深度资料。

这张“金字塔”结构图大家应该都很熟悉了，代表着英特尔对于存储体系的理解，从塔尖到塔底，容量越来越大，延迟越来越高，相邻级别的容量、性能差都在10倍左右，适合不同冷热等级的存储需求。

其中，NAND SSD固态存储，位于传统机械硬盘、磁带冷存储之上，傲腾SSD之下，是一种高效率的存储方式。

顺带一提，英特尔傲腾业务并没有出售。

作为闪存技术的领导者，英特尔在闪存技术研发上已有30多年的历史，尤其是近几年在QLC上持续发力，是全球第一家出货数据中心、消费级QLC PCIe SSD的企业。

20世纪80年代中期，英特尔就开始进军NOR闪存，最初的制造工艺还是1.5微米，2005年开始转入应用更广泛的NAND闪存，制造工艺起步于65nm，2D时代如今已达1xnm级别，SLC、MLC、TLC、QLC一路走下来，堆叠层数也从32层一直到了144层。

QLC之后就是PLC，每个单元可以保存5个比特的数据，共有多达32种状态，如何保持数据稳定性、持久性面临更大的挑战。在这方面英特尔一直是非常积极的，极为看好其前景，但何时量产应用还没有明确的时间表。

英特尔3D NAND技术与产品是为高密度、高可靠性而设计的，其中高密度来自不断增加的3D堆叠层数和阵列下CMOS(CuA)结构设计，高可靠性来自于浮栅单元设计。

先说高密度。英特尔闪存一直走浮动栅极+阵列下CMOS结构的路线，相比于友商的替换栅极结构，或者说电荷撷取闪存结构(CTF)，拥有更紧密、对称的堆栈层，没有额外单元开销。

从对比结构图可以看到，英特尔浮动栅极的Cell单元是均衡的，基本保持一致 ，更加紧凑，同时单元尺寸也更小，可以堆叠更多层数，而替换栅极会浪费一些空间，影响Cell单元的堆叠效率、密度。

阵列下CMOS，顾名思义就是将CMOS和周边控制电路放在Cell单元阵列的下方，同样有利于提高空间利用效率，当然堆叠层数增多之后，CMOS、Cell之间的联系控制难度也会有所提高。

两项设计结合，英特尔3D NAND的面存储密度可以高出最多10％ ，继而提高制造效率，每块晶圆可以切割出更多容量，成本也能得到更好控制。

再说高可靠性。英特尔3D NAND闪存采用了成熟的垂直浮动栅极单元技术。不同的Cell单元之间是分离的，通过浮动栅极技术存储电子路径，好处就是单元与单元的干扰很小，对于漏电、数据保持也更有优势。

每个单元的电子数量，相比2015年的2D MLC NAND增加了6倍左右，从而大大提高控制力，而庞大的电子数量可以更好地防御漏电，减轻长时间后的数据丢失问题。

同时，英特尔利用离散电荷存储节点，具备良好的编程/擦除阈值电压窗口，可以有效保障存储单元之间稳定的电荷隔离，以及完整的数据保留。

另外，英特尔几十年来对于电子物理学有着深厚的研究和积累，已经非常熟练地掌握隧道氧化层工艺。

英特尔强调，半导体工艺中，最复杂的一环其实是刻蚀，因为对着闪存单元堆叠层数的增加、电子数量的增加，多层刻蚀就像挖一口深井，必须确保垂直下去，所有单元的一致性相当高，否则会造成不同单元性能差别明显，整体闪存的密度、可靠性也就不复存在。

打个比方，这种操作就像是在埃菲尔铁塔上扔下一颗实心球，落地后的偏差程度必须保持在厘米级，目前只有极少几家可以做到。

SLC、MLC、TLC、QLC等闪存类型大家都很熟悉了，分别对应一个单元1个、2个、3个、4个比特，会分别形成2种、4种、8种、16种状态，呈指数级增长。

这种变化会影响一个非常关键的指标，那就是读取窗口 ，而随着闪存单元比特、状态的增加，读取窗口越来越小，导致读取准确性难度加大，一不小心就会分不清到底是1还是0，结果就反应在可靠性上。

看右侧，在数据保留性能方面，对比FG浮动栅极、CTF电荷捕获两种结构，前者优势更加明显，从开始状态到使用5年之后，电荷损失程度都更小，甚至是5年之后的电荷保留程度，都堪比CTF的最初状态。

接下来的PLC闪存，每个单元要存储5个比特，对应多达32状态，读取窗口进一步收窄，因此电荷损失的控制力度就更加至关重要，这也是英特尔闪存架构的优势所在。

当然，时至今日很多人依然对QLC有很大的偏见，认为其寿命、可靠性过差，根本不堪大用。这个问题需要理性看待，就像当年大家都瞧不起TLC，现在则成了绝对主流。

由于天然属性的缘故，QLC的寿命、可靠性指标确实是不如TLC，但这并不意味着它一无是处。

事实上，QLC并非要彻底取代TLC，至少短期内不是，它更适合读取密集型应用，适合大区块数据、顺序数据操作，比如AI人工智能、HPC高性能计算、云存储、大数据等等。

而在写入密集型、读写混合型工作负载中，TLC自然是更佳选择，二者是一种相辅相成的关系。

另一方面，QLC闪存的存储密度、容量更大，可以大大节省存储空间 ，比如使用英特尔QLC闪存、30.72TB最大容量的D5-P5316 SSD，在1U服务器内就可以轻松做到1PB的总容量，而如果使用传统16TB硬盘，则需要三个2U机架空间。

在全力推进QLC的同时，英特尔也会持续坚持TLC，第三季度就会发布新的144层堆叠TLC SSD，企业级的D3-S4520、D3-S4620。

总的来说，英特尔虽然将NAND闪存业务卖给了SK海力士，但这只是交易层面的，不会影响技术、产品层面。

未来，新公司承诺将持续在NAND闪存业务上大力投入，保持领先地位，其闪存产品的用户、客户也不必有任何忧虑。这一点，从近半年来不断分享闪存技术、持续发布闪存产品，也可见一斑。

基于英特尔30多年来在闪存上的投入和积累，同时联合SK海力士高超的闪存技术实力，强强联合的前景也更值得期待。

至于闪存类型之争，其实也可以更淡然一些。SLC早已成为江湖传说，MLC只偏安在工业等特殊领域存在，TLC是当下绝对的主流，QLC的地位会越来越高，PLC也是呼之欲出。

结构属性决定了闪存类型演化的同时，可靠性、寿命会有相对削弱，但一方面容量越来越大、单位成本越来越低，这是必然的方向，另一方面辅以各种架构、技术优化，别说满足日常消费级需求，用在数据中心里也不是什么事儿(当然也要看具体的工作负载，非要让QLC大规模随机写入自然是强人所难)。

我们熟知的NAND闪存，还有个“双胞胎兄弟”

QLC大势所趋、PLC呼之欲出：英特尔NAND闪存为何这么优秀？

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