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路由闪存NAND坏块忆联带你读懂闪存原理与颗粒类型

发布时间 : 2025-05-09

作者 : 小编

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忆联带你读懂闪存原理与颗粒类型

NAND 闪存作为如今各种电子设备中常见的非易失性存储器，存在于固态硬盘（SSD）、USB闪存驱动器和智能手机存储等器件。而随着电脑终端、企业存储、数据中心、甚至汽车配件等应用场景要求的多样化，NAND闪存的存储方式和堆叠技术也在持续演进。

本文忆联将围绕闪存颗粒相关的概念以及发展趋势做介绍。

NAND闪存单元

NAND闪存基于浮栅晶体管，通过其中所存储的电荷量表示不同的数据。NAND 闪存由NAND闪存单元（cell）组成，每个单元包含一个浮栅晶体管、一个源极和一个漏极。

简易的NAND闪存单元示意图

在最简单的形式中，当浮栅充电时，它被识别为“编程”状态并标记为0。当浮栅没有电荷时，它被识别为“擦除”状态并标记为1。

浮栅内部捕获的电子数量与单元晶体管的阈值电压成正比。若捕获大量电子，晶体管则实现高阈值电压；若捕获少量电子，则形成低阈值电压。

如果周围的电路没有改变，浮栅处于绝缘状态，其存储的电荷就保持状态不变，即使器件断电后数据也不会丢失。因此，NAND闪存便具备了非易失性。

然而，NAND闪存每个单元的编程/擦除（Program/Erase，简称P/E）次数是有限的。在电压作用下，电子在硅衬底和浮栅之间穿过氧化物实现移动的过程，称作“隧穿”。这个过程会造成隧道氧化层上的应力并且逐步破坏氧化层，因此浮栅最终将无法保持电荷，届时闪存单元也无法使用，将被归入坏块池。

NAND闪存类型

根据每个单元可以存储的位数，NAND闪存类型可以进一步分为SLC、MLC、TLC和QLC。

各NAND闪存类型的单元状态

SLC（Single-Level Cell，单层单元）：每个存储单元仅存储一个比特的信息，即0或1。由于每个单元只有2种状态，SLC NAND闪存的存储密度较低，但具有快速的写入速度、耐久的P/E次数，成本也最高。

MLC（Multi-Level Cell，多层单元）：每个存储单元可以存储多个比特，通常是2个或4个比特。这里是相对于SLC而言，仅指存储两个比特的多层单元，其具有4种单元状态。

TLC（Triple-Level Cell，三层单元）：每个存储单元可以存储3比特，具有8种单元状态。

QLC（Quad-Level Cell，四层单元）：每个存储单元可以存储4比特，具有16种单元状态。

通过在每个单元中存储更多的比特，MLC、TLC和QLC NAND 闪存的存储密度依次提高、成本下降、芯片外观尺寸也大大缩减，但相应地，数据写入速度变慢、P/E次数减少。

目前业内早已在研制PLC（Penta-Level Cell，五层单元），即每个存储单元可存储5比特信息，进一步提升存储密度并降低成本。但同时，对存储单元划分越来越多的电压阈值，读写操作对电压以及电子数量的精确度要求就越高，由此进一步对性能以及损坏率带来了挑战。

颗粒优缺点

基于各类型存储单元的闪存颗粒，在性能、使用寿命和成本等方面的对比如下表所示。

单从成本角度考虑，QLC颗粒显然最具有优势，但是实际由于其电压状态较多，控制的难度较大，进而带来了颗粒稳定性和耐久性的问题。因此，四种颗粒的性能和寿命反而是依次下降的。

以SSD存储为例，选用颗粒时忆联建议可以参考如下几个原则：

性能和可靠性要求：如果对这两方面要求较高，那么可以考虑SLC颗粒的高耐用性和快速读写性能。此类高要求常见于金融、医疗、军事设备等行业，但由于市面上SLC颗粒已经很难见到，这类颗粒往往需要定制。

性价比要求：对于存储容量和成本都有一定要求的情况下，可以考虑MLC颗粒，其具备相对合理的容量/价格比，常见于消费电子、普通企业服务器等行业。

存储密度要求：如果对存储密度有要求，也不需要极致压缩成本，可选用TLC颗粒，常见于云存储、大数据分析等场景。

海量存储要求：QLC颗粒可以以极低成本实现海量数据存储，部分应用如数据中心、云存储等特定场景可以考虑此类颗粒。

因此，根据应用场景的特定需求，用户可以灵活选用不同的闪存颗粒，实现在存储容量、读写性能、寿命和成本上的平衡。

3D NAND发展趋势

伴随着存储密度的持续提升，NAND闪存设计制造也正在经历从平面到立体、从2D到3D的演进。

2D NAND的容量取决于单Die上容纳的单元数量以及每个单元可以存储的比特，其发展很容易遇到瓶颈。而相较于2D NAND的水平堆叠，3D NAND更像摩天大楼，利用纵向维度，把闪存颗粒在立体空间内进行多层垂直堆叠。

从具体设计和实现上来看，3D NAND也更多地采用电荷捕获型结构（charge trap）而不再单纯沿用浮栅设计，或将电流路径从单晶硅通道提升为多晶硅通道等，扩大了空间。

3D NAND技术已广泛应用于终端SSD，可以大幅度优化性能、功耗、耐用性以及成本，借助纠正技术和均衡算法也进一步提高了存储系统的可靠性，满足数据中心、云计算和更多的关键应用场景下的存储需求。

聚焦于SSD存储领域，硬盘的性能和稳定性在很大程度上取决于其主控制器与NAND颗粒之间的协同工作方式。作为硬盘的大脑，主控制器将精确控制NAND的所有操作并通过算法优化来延长SSD的整体寿命与性能提升。

忆联自研存储控制器芯片目前已支持SLC、MLC、TLC与QLC全部四种颗粒，且前三者已实现产品化。关于主控的更多介绍，请关注忆联后续的专题文章。

NAND和闪存转换层（FTL）

我们使用的固态硬盘(SSD)，U盘等存储设备，有别于机械硬盘，其实际存储颗粒为NAND。而NAND存储颗粒受其物理特性影响必然存在坏块，同时也不能直接写0写1。

NAND有别于机械硬盘，主要体现在一下几个方面。

一，如果你想往某个区域存储一个字节的数据，比如0x55，首先需要确认当前区域是没有写入过数据的，也就是必须是全部0xFF的，因为NAND写入的时候每个bit只能从1变成0，不能从0变成1。如果不是全FF，则需要擦除操作，讲该区域全部变成0xFF，才可以写入你想要的0x55写进去。

二，NAND还存在另外一个特性是数据容易出错，写进去的是0x55，回读可能是0x5A，这时候需要ECC算法将错误的数据纠正过来，ECC算法比较复杂，在此不论述。

三，NAND存储颗粒的擦写次数是有限的，一般一个块也就是3000次左右，不能无线擦写。

四，NAND存储颗粒是存在坏块的，也就是实际物理地址上的某个区域是不能正常存储数据的。

这些特性都导致电脑不能向机械硬盘一样直接操作NAND。比如我们的电脑管理了全部文件内容，管理这些文件内容的功能叫文件系统。类似FAT文件系统会在固定的区域存储所有的文件信息，包括文件名，大小，作者等，例如存储在地址0里面。而我们需要频繁的修改文件，那么地址0存储的文件信息就需要频繁的更新，假如存储地址0对应NAND地址0，那么这块控件将很快达到其擦写次数寿命，导致损坏，我们的文件信息就会发生错乱。而且NAND不接受直接写入，必须先擦除再写入，还需要记录NAND中的坏块在哪里，避免写入已经坏掉的区域。读取的时候还需要进行ECC纠错，防止数据出错，这都会大大增加系统的负担，是不会被厂家接受的。大家都懒，谁愿意为了你的问题而改变自己呢，除非你给钱。

FTL闪存转换增这时候被提出来了，其作用就是文件系统和NAND之间的沟通桥梁。对于文件系统来说，它操作的实际第一对象是FTL，依然向机械硬盘一样管理所有的数据，不需要变动，什么都不需要改，除了问题一定是你的，因为我没改。这样系统方恨开心。但是管理NAND的脏活累活就得FTL来做了，谁让SSD等厂家想卖钱呢。

FTL算法，其实就是一种逻辑地址到物理地址的映射。当文件系统发送指令要写入或者更新一个特定的逻辑页时，FTL实际上是把数据写入到一个不同的空闲物理页并更新映射表（逻辑地址和物理地址的关联数据），并把这个页上包含的"旧数据"标记为"无效"（更新后的数据已经写入新的物理地址，旧地址的数据自然就失效了）。正是因为FTL的存在，操作系统才能把SSD当成机械硬盘那样操作，因此FTL转换的性能也就直接影响SSD的性能表现，而且FTL算法也是影响SSD寿命及稳定性的决定因素之一。

FTL还需要管理坏块，磨损均衡（与NAND寿命直接相关），ECC算法等功能，只有这样才能伪装的自己是一个机械硬盘，别人才会用你。

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NAND和闪存转换层（FTL）

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