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

3分钟了解所有闪存类型，值得一看！

通常情况下，固态硬盘(SSD)的底层NAND架构会因模型而异。NAND 闪存的每种类型——SLC、MLC、eMLC和TLC——都有不同的特性，并因此对您的数据存储产生不同的影响，在这篇文章中，我们会讨论这些差异。

目前，闪存可以说彻底改变了企业数据存储，与机械硬盘(HDD)相比，SSD封装使存储子系统和阵列能够提供出色的应用性能，并能在业务分析和其他工作负载下快速工作。在个人电脑和移动设备中，闪存能够加速应用程序启动时间和加速数据传输。

而且由于闪存没有可移动部件，所以SSD几乎不容易受到突然移动和物理冲击的伤害。另外还有一个优势是，它们也比HDD耗电更少。

有一个缺点是，尽管删除、压缩和其他数据管理技术可以帮助企业充分利用其闪存投资，但SSD在每GB的成本上往往高于HDD。

NAND闪存类型

NAND闪存是用于SSD和存储卡的一种非易失性存储体系结构。它的名字来源于逻辑门(NOT-AND)，用于确定数字信息如何存储在闪存设备的芯片中。

·SLC

SLC(Single-Level Cell，单层单元)SSD在每个单元中存储一个Bit，这种设计提高了耐久性、准确性和性能。对于企业的关键应用程序和存储服务，SLC是首选的闪存技术。当然，它的价格最高。

·MLC

考虑到闪存的消费级特性，MLC(Multi-Level Cell，多层单元)架构可以为每个单元存储2个Bit。尽管在存储单元中存储多个Bit似乎能够很好地利用空间，在相同空间内获得更大容量，但它的代价是使用寿命降低，可靠性降低。相对而言，MLC SSD使得在PC和笔记本电脑上增加闪存成为可能。

·eMLC

eMLC(Enterprise Multi-Level Cell，企业多级单元)是MLC NAND 闪存的一个“增强型”的版本，它在一定程度上弥补了SLC和MLC之间的性能和耐久差距。eMLC驱动器比MLC驱动器贵，但比SLC驱动器便宜得多。尽管每个单元仍然存储2个Bit，但eMLC驱动器的控制器管理数据放置、磨损均衡和一些其他存储操作延长了eMLC SSD的使用寿命。

·TLC

最便宜的是TLC(Triple-Level Cell，三层单元)NAND闪存，每个单元存储3比特，通常用于性能和耐久性要求相对较低的消费级电子产品。最适合于包含大量读取操作的应用程序，基于TLC的存储组件很少在业务环境中使用，但是闪存体系结构的最新改进，包括3D NAND(稍后将详细介绍)、持久增强的数据放置和错误纠正技术，使该技术在读密集型企业存储应用程序中占有了一席之地。

SLC、MLC、eMLC和TLC如何选择

下面我们将告诉大家如何判断闪存驱动器是否适合预期的工作负载或用例，包括从企业级到消费者端。在下面的图表中，写入/擦除(PE)周期用来衡量NAND 闪存可以支持多少读和写操作。虽然它们没有机械部件可以磨损，但SSD驱动器仍然存在有限的使用寿命。

每种类型的NAND闪存都有不同的使用寿命，这意味着它会在SSD降级并最终失效之前提供有限数量的P/E周期。当然，除了制造缺陷，电力激增或其他灾难性的破坏可能导致SSD的失效。这是决定SSD支持的存储工作负载和应用程序类型的主要影响因素。

NAND VS 3D NAND

为闪存市场带来突破的最大创新之一是3D NAND或V-NAND。顾名思义，它使用堆叠架构在SSD中安置内存单元，而不是过去平面排列的方法。

实际上，与2D NAND相比，这种架构使供应商能够以更低的成本，将更多的容量压缩到更小的物理空间中。它还能提供更快的速度、更长的使用寿命和更低的功耗。现在大多数主要SSD供应商都提供3D NAND SSD。

如何选择SLC、 MLC和TLC SSD

从经验上看，希望获得最好性能SSD的买家，会在SLC上投入比eMLC、MLC和TLC更多的钱。不过，价格不能决定一切。

当你想最大限度地利用你的存储空间时，有很多因素需要考虑。SLC SSD对于需要快速、可靠性能的关键应用程序工作负载和24×7数据库是有意义的。当然，并不是每个工作负载都需要极高的速度和性价比。

想要快速的性能，但不期望对存储系统造成持续的压力?eMLC甚至MLC都可能是最好的选择。在PC中，相对于HDD，SSD三个字母就代表着性能提升。

所以，看起来很明显。SLC用于要求较高的企业应用程序，其次是eMLC、MLC和TLC，因为性能和可靠性要求降低了。

不过NAND闪存也在不断进化，现在对于大容量SSD来说，使用MLC甚至TLC闪存是非常标准的。在企业用例中，MLC可以说和SLC一样好。

QLC NAND逐渐进入主流

SSD制造商并没有止步于TLC。英特尔、美光科技和西部数据正致力于将QLC(Quad-Level Cell，四层单元)NAND技术引入数据中心。

2018年5月，英特尔和美光发布了第一款可商用的QLC 3D NAND芯片，其存储容量远远超过TLC NAND闪存。通过引入64-层4Bit/单元NAND闪存技术，与TLC相比阵列密度高出33%。据了解，英特尔、美光都已推出了QLC 3D NAND闪存产品，这种产品将在大数据等类似应用中发挥很大的作用。

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