「科普」固态硬盘中3D NAND是什么——浦科特M9PeGN 512GB评测

前言：

PLEXTOR M9PeG系列作为浦科特新旗舰，首次在旗舰产品用上东芝64层堆栈式3D闪存，3D NAND作为去年爆发增长的闪存，就如果近几年MLC闪存过渡到TLC闪存一样，3D闪存市场普及已刻不容缓，所以我们还是先来了解下3D NAND闪存是什么，以及浦科特 PLEXTOR M9PeGN 512GB M.2背后的跑分数据运用着哪些新技术，本文分为几部分：3D NAND闪存介绍、开箱、跑分测试

NAND闪存

NAND闪存作为固态硬盘(SSD)最重要的组成部分，最早于东芝1987年发明，他的技术革新也决定着SSD乃至科技的发展，回顾下NAND闪存发展历史，从最初的1 bit/cell的SLC闪存到2 bit/cell的MLC闪存再到3 bit/cell的TLC闪存以及以后的4bit QLC闪存，闪存的一路发展都是顺应市场需求，通过同样存储单元(cell)能存储更多数据(bit)来增加闪存容量和降低闪存的制造成本，除了让SSD得到普及也是解决如今移动端越来越大的存储需求

但发展到最后又出现一个瓶颈问题，就是闪存制程问题，因为除了上述提到的通过TLC、QLC等多状态存储单元，还有就是通过缩小制程工艺来解决成本和闪存容量问题。

如今闪存制程从最初的的50nm早已经发展到现在的15nm，制程的增加其实并不能解决闪存的所有问题，制程越低晶圆的栅极氧化层就越薄，这就造成闪存可靠性比较差，简而言之就是制程越低可擦写次数也越低，因为闪存本身是个极为复杂的结构，可擦次数有限，耐久度差就极易造成坏块；那如何解决这方面问题了？这就孕育出3D NAND堆栈式闪存概念

3D NAND闪存

3D NAND闪存也就是我们常说的堆栈式闪存，最早也是东芝于2007年宣布提出，主要目的就是解决当时候SLC等2D平面闪存极少的存储单元

2D到3D简单来说就是垂直堆叠，如同盖大楼方式把闪存堆垒起来以解决容量问题，目前主要三星、东芝、美光/英特尔、海力士等传统闪存厂商拥有最先进成熟的3D NAND闪存技术，各自的堆栈方式以及命名都有不同，如三星的V-NAND、东芝BiCS FLASH

目前3D NAND闪存从2013年开始的24层逐渐发展为32层，48层和64层，到如今以及达到96层，目前预估到2021年达到>140层；关于堆垒层数以东芝为例，2017年6月28日东芝公布了96层的BiCS FLASH，在单位面积可提供1.4倍于64层BiCS FLASH的存储容量，每代容量都能得到翻倍。但值得一提的是国产长江存储早已成功试产32层堆栈式3D NAND闪存

目前3D NAND为何不提制程？

目前评测文章很少提到3D闪存制程问题，3D NAND闪存特点除了增大容量外，其实也解决了我上面说的2D闪存不断升级制程上问题。在最早的32层3D NAND闪存各品牌普遍都采用比较老的40nm制程，对比当时主流的2D闪存采用的19/20nm，在制程上不升反降，所以目前厂商对3D NAND只会讲堆垒层数不会讲制程工艺，这是为什么？

上面提到闪存的制程越低可擦写次数也越低，闪存如果用老的nm制程某种程度上在耐久度可靠性方面要优于更小nm制程，有效提高可擦写次数和读写速度，就算采用老的nm制程在同样的闪存单位体积下，3D NAND也要比2D NAND容量要多

如此次浦科特M9PeG系列采用的主流东芝64层BiCS FLASH使用了19nm制程，比最新的2D的15nm闪存更具可靠性，所以理论上同样采用TLC的3D NAND闪存要比同样的TLC 2D NAND闪存更好

3D NAND缺点

每种技术达到一定瓶颈都会暴露出缺点，3D NAND会如同闪存从SLC发展到目前QLC一样，更多的状态的存储单元造成的结果就是出错率更高，必须要有更高效、纠错能力更强的主控技术进行支持，当3D NAND堆垒的层数越来越多同样会面临此类问题

其实写到这都差不多能清楚SSD的发展趋势，提高存储密度、降低成本、提高主控纠错能力才是王道

开箱.

浦科特 PLEXTOR M9PeGN 512GB M.2

正好12号浦科特 PLEXTOR M9PeGN 512G M.2 京东PLUS会员价格1099，因为是不带散热片版本买来用在笔记本上

其实带散热器的M9PeG历史最低价999元，M9PeGN在11号和12号的秒杀价和PLUS会员价都是1099元，其实价格也非常好，最后再叠加20优惠券最后1079到手，如果用PLUS会员满1000-40还能便宜20，因为我是12号买的，如果618价格更低可以保价

京东买的比起渠道买的都多贴有一个产品编号，其他和M9PeG没什么不同，另外标注产地为台湾新竹，生产厂商为光宝

M9Pe系列因为是浦科特旗舰产品，而且迎合主流加上了RGB等效，但只有刀卡式的HHHL版本的M9PeY才有，其他M9PEG和M9PEGN都是M.2 2280版本，至于G和GN是无散热片区别

包装背面还是有用只标注了各个容量的性能参考数据，但官方数据都是取跑分最高的数据，我觉得还是看实际的性能跑分

硬盘本体和附赠一颗螺丝

因为不带散热片的产品标签都贴在闪存颗粒上，如果用第三方散热片肯定会影响些散热，因为一般用户考虑因为保修也不敢去揭掉标签

具体型号：PX-512M9PeGN，提下浦科特型号命名规则，PX就代表Plextor浦科特，512为容量，M往往代表着Marvell主控，9肯定是次代关系，P一般是浦科特产品定位，比如P代表旗舰，S代表主流，V代表入门，然后是e指PCIe，G就代表M.2 2280规格，如果是S就是M.2 2242规格，最后N就代表无散热片版本

M.2 M key 接口才是支持nvme的

M9Pe系列主控采用的主流的Marvell 88SS1093主控，这颗主控在浦科特中高低端产品都在使用，而且这一主控面世几年方案已经相当成熟，支持东芝15nm TLC / MLC / SLC闪存以及3D 堆叠式闪存，缓存来自南亚的NANYA1708，缓存容量512MB，编号为NT6CL128M32BM-H2，是一颗LPDDR3 512MB的DRAM，而闪存颗粒使用的是东芝最64层堆叠式闪存，颗粒编号为TH58TFT1T23BAEF，单颗256GB容量，俩颗组成512GB容量

测试用的是日常上课带去用的Thinkpad黑将S5 2017，配置方面：i7 7700HQ处理器、16GB内存+GTX1050TI 2GB独显+东芝256G固态硬盘+西数1T机械硬盘

这本子不需要拆整个D面，更换内存和硬盘就方便很多了

Thinkpad黑将S5 2017本身是一块来自东芝的256G nvme硬盘，型号为THNSFS256GPUK，方案是东芝自家的主控和闪存颗粒，主控为TC58NCP070GSB，闪存颗粒是主流的东芝15nm TLC闪存。这次换性能更好的M9PeGN 512GB，256GB现在对我来说不太够用，刚好东芝这盘就给女票笔记本用了

俩块硬盘对比下，虽然不是同容量级的，但还是做个性能对比，看看东芝64层3D NAND和东芝15nm TLC性能到底如何

性能测试：

老规矩，俩块硬件测试都关闭了Windows写入高速缓存缓冲区刷新，因为出于写入保护的原因，微软NVMe驱动会等待写入验证，会造成一定延迟导致SSD的4K写入成绩会很低，关闭Windows写入高速缓存缓冲区刷新（F）在此电脑（我的电脑）右击管理-设备管理-磁盘驱动器-右击硬盘型号点属性-策略，在第二个关闭选项打上钩然后确定

AS SSD Benchmark默认测试1GB文件， M9PeGN 512G速度方面持续读取2568.03MB/s,持续写入为1856.04MB/s，4k读取55.69MB/s，4K写入149.90MB/s，得分直接超过3000分，再对比下右边笔记本自带的东芝256G SSD，各项性能差距都很大，特别是M9PeGN 512G在4K性能方面是否抢眼，顺便说句intel平台的磁盘性能果然比AMD平台高很多

再来看看CrystalDiskMark的跑分对比，这里两块硬盘数据都要比AS SSD Benchmark要高些，而且测试也要长些，主要因为CrystalDiskMark最终得分是取5次测试的最好成绩作为，所以很多厂商宣传时也喜欢用CrystalDiskMark作为跑分依据

TxBENCH跑分数据还比较正常和AS SSD Benchmark相当

​

最后是PCMARK8跑分，其实比较能反映出日常运用时的性能，因为PCMARK8跑分耗时长我就不做作对比测试，最后M9PeGN 512G得分5069分，基本超过5000分的盘性能都不差

SLC Cache测试：

用HD Tune Pro 测试大约10GB文件，M9PeGN 512GB的SLC cache容量为5GB左右，5GB的SLC cache容量其实对于一块512GB的盘容量确实有点少，最后测得当写入超过5GB，TLC闪存本身性能就暴露出来，写入数据直接斩腰跌到差不多500多mb/s的写入速度，速度和SATA的MLC SSD差不多

再来看看Thinkpad黑将S5 2017笔记本原装的东芝256G nvme硬盘，因为没有SLC cache机制，写入不到300MB/s，就算对比真实写入性能和M9PeGN的写入差距也很大

关于SLC Cache我之前就科普过，不妨在提下，这一技术就是从TLC里划出一部分容量模拟SLC工作，特别是在在进行跑分时直接利用SLC Cache进行跑分，而TLC不进行跑分测试，所以TLC跑分数据看起来相当漂亮，主要原因跑分软件文件都是新建立的，当建立新文件时硬盘自动调用SLC Cache进行读写操作，如果测试的文件大小不超过SLC Cache的容量，读写成绩就是由SLC Cache部分测得 ，如果超过SLC Cache的容量那TLC继续测试下面的文件，那么速度就会恢复TLC速度，这样硬盘性能就原形毕露，那这么说不就是作弊嘛？其实要你怎么去看待，实际上确实存在一定作弊嫌疑，但也是行业普遍现象，一定程度在处理比较小的碎片文件特别就能体现出SLC Cache的性能，而固态硬盘价格持续走低开始普及，TLC的功劳确实功不可没，SLC Cache的应用也将更为普遍才对。

目前3D NAND逐渐普及中，其实又有一种新型的SLC Cache 技术出现，就是会在读取方面也会加入SLC Cache，因为测试跑分软件都遵循着先写后读的方式，就是当对SLC Cache进行写入操作时，硬盘会保留一部分测试文件在SLC Cache里，当下次读取时直接调用SLC Cache里的文件，目前已知M9Pe和Intel 760p都用到新型的SLC Cache 技术

温度：

最后温度方面 M9PeGN 512G在跑分时候温度最高在53℃，其实带散热片的M9PeG版本使用的也是很薄的散热片和笔记本自带的散热片散热效能差距不大，而且现在高端主板都已经附带m.2散热片，我觉得选择像M9PeGN这样不带散热片版本的更加合适些

总结：

关于浦科特M9PeGN 512GB跑分数据和分析这篇其实已经写的详细了，对于早已是TLC（3D NAND TLC）闪存遍地的时代，MLC硬盘更是少之又少，包括今年QLC闪存产品面世，TLC势必会像当年SLC过渡到MLC，MLC过渡到TLC，2D闪存过渡到3D闪存一样成为各家民用级旗舰产品的常客，这是市场规律，大家必须去面对，而对于目前大家担心的TLC的寿命和速度问题，对于寿命来说更加成熟的主控方案和纠错技术使得目前TLC闪存比当初刚面世时要更加长久稳定；而速度方面，本身TLC就是让闪存低价普及市场，更大的容量意味着速度更快，所以目前128GB这种尴尬容量SSD也面临淘汰，像M9PeGN 512GB使用的Marvell 88SS1093主控，这是款是相当成熟的方案，在大容量前提下TLC的SSD在没有SLC Cache缓存下写入速度不会低于500mb/s。当然了，好的SSD必须基于成熟的方案和原厂闪存颗粒，目前除了拥有制造NAND闪存能力的品牌外，也只有浦科特等品牌在坚持用原厂颗粒，为了数据安全勿贪便宜

NAND Flash与NOR Flash究竟有何不同｜半导体行业观察

来源：内容由 微信公众号 半导体行业观察 （ID：icbank） 翻译自「embedded」，作者 Avinash Aravindan，谢谢。

嵌入式系统设计人员在选择闪存时必须考虑许多因素：使用哪种类型的Flash架构，是选择串行接口还是并行接口，是否需要校验码（ECC）等。如果处理器或控制器仅支持一种类型的接口，则会限制选项，因此可以轻松选择内存。但是，情况往往并非如此。例如，一些FPGA支持串行NOR闪存、并行NOR闪存和NAND闪存来存储配置数据，同样，它们也可以用来存储用户数据，这使得选择正确的存储器件更加困难。本文将讨论闪存的不同方面，重点放在NOR闪存和NAND闪存的差异方面。

存储架构

闪存将信息存储在由浮栅晶体管制成的存储单元中。这些技术的名称解释了存储器单元的组织方式。在NOR闪存中，每个存储器单元的一端连接到源极线，另一端直接连接到类似于NOR门的位线。在NAND闪存中，几个存储器单元（通常是8个单元）串联连接，类似于NAND门（参见图1）。

NOR Flash（左）具有类似NOR门的架构。NAND Flash（右）类似于NAN

NOR Flash架构提供足够的地址线来映射整个存储器范围。这提供了随机访问和短读取时间的优势，这使其成为代码执行的理想选择。另一个优点是100％已知的零件寿命。缺点包括较大的单元尺寸导致每比特的较高成本和较慢的写入和擦除速度。

相比之下，与NOR闪存相比，NAND闪存具有更小的单元尺寸和更高的写入和擦除速度。缺点包括较慢的读取速度和I / O映射类型或间接接口，这更复杂并且不允许随机访问。值得注意的是，NAND Flash中的代码执行是通过将内容映射到RAM来实现的，这与直接从NOR Flash执行代码不同。另一个主要缺点是存在坏块。NAND闪存通常在部件的整个生命周期内出现额外的位故障时具有98％的良好位，因此，器件内需要ECC功能。

存储容量

与NOR闪存相比，NAND闪存的密度要高得多，主要是因为其每比特成本较低。NAND闪存通常具有1Gb至16Gb的容量。NOR闪存的密度范围从64Mb到2Gb。由于NAND Flash具有更高的密度，因此主要用于数据存储应用。

擦除/读写

在NOR和NAND闪存中，存储器被组织成擦除块。该架构有助于在保持性能的同时保持较低的成本，例如，较小的块尺寸可以实现更快的擦除周期。然而，较小块的缺点是芯片面积和存储器成本增加。由于每比特成本较低，与NOR闪存相比，NAND闪存可以更经济高效地支持更小的擦除块。目前，NAND闪存的典型块大小为8KB至32KB，NOR Flash为64KB至256KB。

NAND闪存中的擦除操作非常简单，而在NOR闪存中，每个字节在擦除之前都需要写入“0”。这使得NOR闪存的擦除操作比NAND闪存慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要3.5ms才能擦除128KB块，而NOR闪存S70GL02GT则需要约520ms来擦除类似的128KB扇区。这相差近150倍。

如前所述，NOR闪存具有足够的地址和数据线来映射整个存储区域，类似于SRAM的工作方式。例如，具有16位数据总线的2Gbit（256MB）NOR闪存将具有27条地址线，可以对任何存储器位置进行随机读取访问。在NAND闪存中，使用多路复用地址和数据总线访问存储器。典型的NAND闪存使用8位或16位多路复用地址/数据总线以及其他信号，如芯片使能，写使能，读使能，地址锁存使能，命令锁存使能和就绪/忙碌。NAND Flash需要提供命令（读，写或擦除），然后是地址和数据。这些额外的操作使NAND闪存的随机读取速度慢得多。例如，NAND闪存S34ML04G2需要30μS，而NOR闪存S70GL02GT需要120nS。因此，NOR比NAND快250倍。

为了克服或减少较慢读取速度的限制，通常以NAND闪存中的页方式读取数据，每个页是擦除块的较小子部分。仅在每个读取周期开始时使用地址和命令周期顺序读取一页的内容。NAND闪存的顺序访问持续时间通常低于NOR闪存设备中的随机访问持续时间。利用NOR Flash的随机访问架构，需要在每个读取周期切换地址线，从而累积随机访问以进行顺序读取。随着要读取的数据块的大小增加，NOR闪存中的累积延迟变得大于NAND闪存。因此，NAND Flash顺序读取可以更快。但是，由于NAND Flash的初始读取访问持续时间要长得多，两者的性能差异只有在传输大数据块时才是明显的，通常大小要超过1 KB。

在两种Flash技术中，只有在块为空时才能将数据写入块。NOR Flash的慢速擦除操作使写操作更慢。在NAND Flash中，类似于读取，数据通常以页形式编写或编程（通常为2KB）。例如，单独使用NAND闪存S34ML04G2 写入页面需要300μS。

为了加快写入操作，现代NOR Flashes还采用类似于页面写入的缓冲区编程。例如，前文所述的NOR闪存S70GL02GT，支持缓冲器编程，这使其能够实现与单词相似写入超时多字节编程。例如，512字节数据的缓冲区编程可以实现1.14MBps的吞吐量。

能耗

NOR闪存在初始上电期间通常需要比NAND闪存更多的电流。但是，NOR Flash的待机电流远低于NAND Flash。两个闪存的瞬时有功功率相当。因此，有效功率由存储器活动的持续时间决定。NOR Flash在随机读取方面具有优势，而NAND Flash在擦除，写入和顺序读取操作中消耗的功率相对较低。

可靠性

保存数据的可靠性是任何存储设备的重要性能指标。闪存会遭遇称为位翻转的现象，其中一些位可以被反转。这种现象在NAND闪存中比在NOR闪存中更常见。出于产量考虑，NAND闪存随附着散布的坏块，随着擦除和编程周期在NAND闪存的整个生命周期中持续，更多的存储器单元变坏。因此，坏块处理是NAND闪存的强制性功能。另一方面，NOR闪存带有零坏块，在存储器的使用寿命期间具有非常低的坏块累积。因此，当涉及存储数据的可靠性时，NOR Flash具有优于NAND Flash的优势。

可靠性的另一个方面是数据保留，这方面，NOR Flash再次占据优势，例如，NOR Flash闪存S70GL02GT提供20年的数据保留，最高可达1K编程/擦除周期，NAND闪存S34ML04G2提供10年的典型数据保留。

编程和擦除周期的数量曾是一个需要考虑的重要特性。这是因为与NOR闪存相比，NAND闪存用于提供10倍更好的编程和擦除周期。随着技术进步，这已不再适用，因为这两种存储器在这方面的性能已经很接近。例如，S70GL02GT NOR和S34ML04G2 NAND都支持100,000个编程 - 擦除周期。但是，由于NAND闪存中使用的块尺寸较小，因此每次操作都会擦除较小的区域。与NOR Flash相比，其整体寿命更长。

表1提供了本文中讨论的主要内容摘要。

NOR闪存和NAND闪存的主要特性与一般和具体比较数据的比较。

通常，NOR闪存是需要较低容量、快速随机读取访问和更高数据可靠性的应用的理想选择，例如代码执行所需。NAND闪存则非常适用于需要更高内存容量和更快写入和擦除操作的数据存储等应用。

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