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nand闪存和固态看了这么多固态硬盘科普，终于真正搞明白TLC闪存和SLC缓存

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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看了这么多固态硬盘科普，终于真正搞明白TLC闪存和SLC缓存

除了极个别MLC和QLC型号，现在我们能够买到的固态硬盘基本都使用了TLC闪存，今天为大家介绍一些不为众人所知的TLC秘闻。

为什么TLC写入速度比较慢？

闪存用存储电子来记录和表达数据，存储电子的部件叫Floating Gate浮动栅极。通过在Control Gate控制栅极施加一个参考电压，并判断源极与漏极是否导通，就能判断浮动栅极中是否存储有电子，从而实现闪存中数据的读取。

东芝在1984年发明了NAND闪存，最早的NAND闪存属于SLC类型，即每个存储单元可以记录1比特数据。对于SLC闪存来说，闪存FT浮动栅极中有电子代表0，没有电子代表1。

闪存写入过程其实就是将一部分的1转换成0，即给FT浮动栅极"充入电子"。擦除过程就是将栅极的电子全部"放掉"，使它们变回1。

给栅极"充电"的过程需要分步进行，逐渐增加"阈值电压"，每进行一步就与预先定好的不同数据定义的分界线——"参考电压"进行一次对比。SLC的一个存储单元只需表达一个比特的数据，只要区分0和1就好，所以只需要用到一个参考电压。

而MLC闪存要表达2比特数据就需要区分11、01、00和10四种状态，用到四种参考电压。MLC闪存的写入过程因此变得比SLC慢许多。

到了TLC时代，每个存储单元需要记录3比特数据，二进制信息增加到8种，需要用到7种参考电压来隔离这8种状态。TLC的写入过程也就需要更多次的比对和确认，写入速度随之降的更低了。

为什么只有SLC缓存而没有MLC缓存？

pSLC Mode是将部分TLC闪存单元当作SLC使用，从而大幅提升短时突发写入速度的技术。同样的，将TLC临时当作MLC来操作就是pMLC mode。不过pMLC Mode很少被人提起，这是因为它看起来不如pSLC那样划算，下图是某闪存在不同模式下的数据指标：

虽然把TLC模拟成更高级的闪存使用能够缩短读取和写入所需时间，但每个闪存单元能容纳的数据也变少了，综合之后pMLC甚至有可能不如TLC读写速度快。不过pMLC的出错率较低，可以适应那些纠错能力比较低的闪存控制器，应用在部分工业用途当中。

3D堆叠有没有解决TLC的难题？

过去平面闪存使用FT浮动栅极层作为电子的容器，当代3D闪存主要使用CT电荷捕获层存储电子。下图是平面闪存与东芝BiCS三维闪存的结构对比：

由于BiCS结构增大了存储单元间隔，就可以增大单次编程序列的数据量来提升写入速度。同时，由于读写干扰降低，闪存数据出错率下降，BiCS也带来更高的写入/擦除循环次数，也就是我们平时说的"写入寿命"。

TLC写入速度的增长还可通过结构改进升级

TLC写入速度方面的短板主要依靠提升并发度来实现。目前一个闪存die通常具备两个Plane平面：

东芝计划在下一代BiCS5 96层堆叠3D闪存中将平面数量提高到4个，从而令闪存写入速度翻倍。

科技一直在进步，TLC虽然不美好，但似乎也没那么糟糕。

小Z聊固态：NAND闪存颗粒的打开方式

关注固态硬盘产品的各位朋友应该发现了，近来几乎各大品牌的固态硬盘产品都涨价了！虽然涨幅不算太大，但是在价格十分敏感的电子消费产业，还是十分耐人寻味的，特别是一些经典热销产品的涨价就更是让人看不懂了。

下图是笔者统计过的，从6月15日起到6月30日止，京东商城上热销的部分品牌的销量最高产品的价格变化图。通过图表可以看到，除了金士顿和浦科特旗下的两款固态硬盘在统计中没有大的变化外，其余各大品牌，诸如三星、东芝、闪迪、ocz等都有着不同幅度的涨价。

在前面几期的“小Z聊固态”中，我们知道固态硬盘最大的制造成本其实在于闪存颗粒，闪存颗粒的价格变化直接影响到固态硬盘产品的价格变化。看到这里，我想部分朋友已经可以猜到为什么此次固态硬盘产品集体涨价了。

没错，原因就和上次机械硬盘因为泰国洪水淹没大部分机械硬件加工商导致全行业涨价一样，此次三星位于西安的全球最大的NAND闪存制造厂的停电事故，影响了NAND的正常生产，再加上处于闪存颗粒生产的旺季，市场上的NAND闪存供不应求，因而出现了大范围的固态硬盘价格上扬。

那么又有人问了，“一个三星NAND闪存厂竟能影响到全行业？难道没有其他闪存厂能够替代它吗？”

今天，小Z就借着这个话题和大家一起聊聊闪存颗粒和闪存厂的那些事。

在固态硬盘领域，掌握了闪存颗粒几乎可以说就掌控了固态市场。目前，全球范围内从事NAND flash的厂商大大小小不计其数，但具有统治地位的就只有区区六家，他们分别是三星（Samsung）、东芝（Toshiba）、英特尔（intel）、海力士（SK hynix）、美光（Micron）、闪迪（SanDisk），这六家从事NAND FLASH制造的厂商几乎垄断了全球大部分的市场份额，接下来我们就一一介绍。

半导体霸主：英特尔（intel）

英特尔公司（IntelCorporation）总部位于美国加州，工程技术部和销售部以及6个芯片制造工厂位于美国俄勒冈州波特兰。

英特尔的创始人罗伯特·诺伊斯RobertNoyce和戈登·摩尔GordonMoore原本希望他们新公司的名称为两人名字的组合——MooreNoyce，但当他们去工商局登记时，却发现这个名字已经被一家连锁酒店抢先注册。不得已，他们采取了“IntegratedElectronics（集成电子）”两个单词的缩写为公司名称。现任CEO是BrianKrzanich。

英特尔公司在随着个人电脑普及，英特尔公司成为世界上最大设计和生产半导体的科技巨擘。除了为全球日益发展的计算机工业提供建筑模块，包括微处理器、芯片组、板卡、系统及软件等，公司在半导体顶层技术的研发中始终处于世界领先地位，拥有多项半导体生产专利技术，长期位列全球半导体厂商排行榜的首位。

intel早期闪存颗粒的编号信息

在固态硬盘领域，早期的英特尔自产自研的闪存颗粒，多用于自家高端产品，或是合作紧密的友商产品中，几乎很少输出。

到了中期，英特尔和美国著名的半导体厂商美光进行了深度合作，共建晶圆制造厂，并将晶圆厂中品质和纯度较高的闪存颗粒用于自家的产品，如intel 710系列就是采用的eMLC企业级颗粒，而将品质低的颗粒用于低端产品和输出到第三方，例如intel 320系列以及部分威刚、OCZ产品，在此就不一一论述了。

intel 540s采用海力士16nm闪存颗粒

到了后期，也就是现在intel几乎已经很少在中低端产品中使用自家颗粒了，会根据产品定位不同，灵活选择。例如，最新发布的针对消费级市场的INTEL 540S系列就是采用的海力士16nm闪存颗粒，而面向高性能和安全应用的SSD Pro 5400s则是采用美光和intel合资的16nm闪存。

晶圆之光：美光（Micron）

美光科技（MicronTechnology，以下简称美光科技）位于美国爱德荷州首府波伊西市，于1978年由WardParkinson、JoeParkinson、DennisWilson和DougPitman创立，1981年成立自有晶圆制造厂。

美光科技是全球最大的半导体储存及影像产品制造商之一，其主要产品包括DRAM、NAND闪存和CMOS影像传感器。美光科技先进的产品广泛应用于移动、计算机、服务、汽车、网络、安防、工业、消费类以及医疗等领域，为客户在这些多样化的终端应用提供针对性的解决方案。

在1990年代初期，美光科技成立MicronComputers（美光电脑）子公司来制造个人电脑，该公司即后来的MicronElectronics（美光电子）。

1998年亦并购了Rendition公司来制造3D加速芯片。

2002年美光卷入了内存价格操纵丑闻。

2007年3月21日首次在中国西安成立了工厂，主要生产DRAM和NAND快闪存储器。

美光flash颗粒的命名规则

在固态硬盘领域，美光和intel进行了深度合作，并于2006年在美国犹他州Lehi地区合资共建，25nm工艺闪存制造厂IMFT，而根据相关文件披露，IMFT生产的晶元，49%销售给Intel，另外51%则归美光。

除了生产闪存颗粒，美光还拥有固态硬盘生产线以及市场终端品牌英睿达。不同于intel闪存颗粒，多用于自家产品，美光的闪存颗粒因其性能稳定，深受OEM厂商热捧，并大量输出到各大OEM厂商以及各大品牌固态硬盘厂商。

自产自销：三星（Samsung）

如果说英特尔是半导体行业的绝对领路人和开创者的话，那么三星毫无疑问是最强的追逐者和竞争者。

三星电子（SamsungElectronics）作为韩国电子产品生产企业，是韩国规模最大的企业，同时也是三星集团子公司中规模最大且在国际市场处于领先地位的企业。

该公司在全世界共65个国家拥有生产和销售法人网络，员工数多达157，000人，早在2009年超越惠普（HP）跃升为世界最大的IT企业，其中LCDTV、LEDTV和半导体等产品的销售额均在世界上高居榜首。

在庞大的三星集团内部，半导体事业部可谓是打造三星帝国的一等功臣。

三星集团创始人李秉哲不顾公司众人反对，毅然决然地于1983年在日本东京正式开始进军半导体行业。对此他曾经表示，三星符合韩国缺乏资源的自然条件，只有开发高附加值、技术含量高的产品才能实现企业的第二次飞跃。

在此后的10个月内，三星电子在世界上第三个推出64KDRAM，这在国内外经济界引起强烈反响。然而，日后由于半导体价格暴跌，企业在事业之初陷入困境。尽管如此，三星的存储器半导体依然取得了长足的发展，1992年率先开发成功64MDRAM，终于在世界上确保了最强的技术实力；1993年如愿以偿地荣登存储器半导体世界第一的宝座。此后于1994年和1996年连续开发成功256M和1GDRAM，这同样拥有‘世界最先开发’的荣耀，这样，半导体逐渐成为韩国具有代表性的产业。2002年NANDFlash位居世界榜首；2006年与2007年分别在世界上率先研制成功50纳米级DRAM和30纳米级NAND等，三星电子在存储器领域的占有率超过30%，成为业界的强者。

三星750evo采用自家闪存颗粒

拥有大量的世界顶尖的半导体专利技术的三星，近些年也没有停止研发的脚步。就固态硬盘行业而言，三星是业界首个将TLC闪存颗粒运用于固态硬盘产品的厂商，同时研发出全球领先的3D-NAND闪存颗粒技术，极大的提升了闪存颗粒的实际使用容量，进一步压缩了闪存颗粒的体积，引发了闪存颗粒的又一次革命。

三星flash颗粒编号信息表

作为半导体厂商，三星也和intel一样，有着完整的闪存颗粒生产线，却都仅将颗粒运用于自家产品，三星家更是做得彻底，所有原产颗粒都不允许输出，仅装备于自家固态品牌。因而，很多关于三星闪存的具体参数信息很少见诸于网络。

闪存缔造者：东芝（Toshiba）

作为我们的邻居，韩国在闪存制造上有三星，而日本则有东芝。

东芝（TOSHIBA）是日本最大的半导体制造商，亦是第二大综合电机制造商，隶属于三井集团旗下。东芝原名东京芝浦电气株式会社，1939年由株式会社芝浦制作所和东京电气株式会社合并而成；从1875年开创至今，已经走过了133年的漫长历程。

早在80年代东芝与NEC是世界上最大的两家半导体制造商，同时东芝还是闪存存储标准SD协会的董事会成员之一，是多项规格标准的制定者和推动者，拥有着半导体闪存行业多项世界第一和生产专利，到了90年代，东芝已经成长为世界排名前5的芯片厂，在2008年东芝排名第3，仅次于英特尔和三星，但排在德州仪器和意法之前，到了今天东芝依旧在世界半导体行业、芯片制造行业有着举足轻重的作用。

具体到固态硬盘领域，东芝原厂闪存颗粒几乎占领了主流的固态硬盘市场，成为有一定实力的固态硬盘厂商首选颗粒。究其缘由，一则是东芝近百年的生产制造经验带来的严格的品控，二则是东芝乐于向外输出优质原厂闪存颗粒。

目前，几乎所有大品牌的固态硬盘厂商都使用过东芝相关型号的闪存颗粒。例如浦科特全系列M6V/M7V/M6S PLUS等产品，还有金士顿的v300/uv400，OCZ几乎全系列等。

东芝flash颗粒编号示意图

除了制造原厂闪存颗粒外，还有更多的二线厂商使用东芝原厂的白片颗粒，以及部分厂商使用的东芝黑片，可以说几乎所有主流固态硬盘厂商都使用过东芝制造的闪存颗粒。

同时和三星、intel一样，东芝自家也有固态硬盘终端产品，从开山之作东芝Q系列，东芝Q200，东芝Q300一直到东芝Q300 PRO,每一款源自东芝的新品都带给消费者许多惊喜。

性价比之王：海力士（SK Hynix）

闪存颗粒作为固态硬盘制造中最花费成本的核心器件，提供极高性价比的产品也是能有极大的市场。

海力士脱胎于韩国另一家半导体制造企业现代内存,并于2001年更名为海力士，2012年正式更名为SK hynix。

海力士半导体在1983年以现代电子产业有限公司成立，在1996年正式在韩国上市，1999年收购LG半导体，2001年将公司名称改为(株)海力士半导体,从现代集团分离出来。2004年10月将系统IC业务出售给花旗集团，成为专业的存储器制造商。2012年2月，韩国第三大财阀SK集团宣布收购海力士21.05%的股份从而入主这家内存大厂。

海力士半导体多年前已经在韩国制造了4条8英寸晶圆生产线和一条12英寸晶圆生产线，并在美国俄勒冈州有一条8英寸生产线。2004年及2005年全球DRAM市场占有率处于第二位，中国市场占有率处于第一位。并在世界各地有销售法人和办事处，共有员工15000人。

海力士部分flash颗粒产品编号示意图

如今的海力士半导体，一直以行业最高水平的投资效率、生产效率、销售效率，在竞争激烈的半导体行业站稳脚跟，并以快速的更新能力和极高的性价比，成为众多固态硬盘厂商欢迎的原厂颗粒提供商。

目前，intel旗下多款产品采用了海力士颗粒，例如从intel pro 2500到最新的intel 540s。同时国内许多新兴厂商都在使用有着高性价比的SK Hynix闪存颗粒，例如金泰克等。

闪存帝国：闪迪（SanDisk）

在闪存卡领域，闪迪绝对是行业的巨擘，而在固态硬盘领域，闪迪也凭借着其拥有着完整的闪存颗粒加工体系，成为固态硬盘行业的巨头之一。

SanDisk (闪迪)公司是全球最大的闪速数据存储卡产品供应商。诞生于1988年加利福尼亚帕罗奥多，该公司由非易失性存储技术领域的国际权威Harari Eli博士在1988年创立。

闪迪作为全球唯一一家有权制造和销售所有主要闪存卡格式的公司，拥有超过4900多项关于存储、闪存颗粒等相关技术的专利，并在全球各地拥有着多条闪存颗粒加工制造厂。

闪迪至尊极速系列采用闪迪颗粒

早在2005年，就和日本存储大厂东芝合作，在位于日本四日市运营处的建立起NAND flash闪存 300mm工艺的晶片制造厂，并与2011年正式投入生产。

鉴于闪迪在闪存卡拥有着全球唯一的全系列生产线，因而闪迪原厂的闪存颗粒多用于自身产品消化，并没有大规模投入市场。同时鉴于在NAND flash生产上，闪迪几乎和东芝成为一家人，许多相关产品编号信息暂时无法查询。

总结：

intel和美光、东芝和闪迪、自产自销的三星、性价比的海力士，目前市场上存在的闪存颗粒六大巨头都根据自己的实际特点，你追我赶的占领市场高地，近乎垄断了固态硬盘闪存颗粒的所有市场份额。

然而就六大品牌内部比较，由于各大品牌的侧重点不同，主攻方向的差异。在没有限定的前提下，无法区分到底谁家颗粒好，谁家颗粒烂，但是唯一具有参考意义的便是，下次选购固态硬盘的时候，有这六大厂商的品牌logo，至少要比没有品牌logo来路不明的颗粒强得多得多。

看了这么多固态硬盘科普，终于真正搞明白TLC闪存和SLC缓存

小Z聊固态：NAND闪存颗粒的打开方式

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