全面解析閃存技術(shù)大餐 架構/顆粒/接口/可靠性

NAND Flash SSD和HDD的最大區別，其一是SSD通過(guò)Flash控制電路選通原理來(lái)讀/寫(xiě)對應地址數據，不必采用笨拙的機械磁頭定位數據外;其二是SSD在充電寫(xiě)入數據前，必需要擦除原有的數據，每次充電和放電稱(chēng)為一次P/E(編程/擦出)，一塊SSD的壽命和可以執行P/E操作的次數強相關(guān)。每種Flash顆粒的P/E操作次數是不同的，P/E操作次數越多，對應Flash顆粒的SSD壽命越長(cháng)，可靠性越好，價(jià)格也越高。

NAND Flash顆粒分類(lèi)

NAND Flash可根據Cell儲存bit數據位的不同分為SLC，MLC，TLC，其中MLC還分為eMLC，MLC和cMLC。由于不同類(lèi)型顆粒結構不同，所有導致了不同顆粒間數據儲存能力，性能和可靠性存在差異。

SLC(single level Cell) 是單層存儲單元，一個(gè)Cell中只存儲1bit數據(0/1)，在寫(xiě)入數據后就高低2為電平，由于判定寫(xiě)入數據值電壓的區間小，所以可擦寫(xiě)次數和可靠性也是最好的，一般在5W-10W之間，但是存儲容量相對較少，成本也最高。

MLC(multi-level Cell) 多層式儲存單元，存儲密度較大，一個(gè)Cell中可以存儲2bit數據(00/01/10/11)，相比SLC，判定寫(xiě)入Cell中電壓值區間比2bit數據就比較復雜了，由于NAND Flash的物理屬性(擦寫(xiě)會(huì )對顆粒的絕緣層造成損壞)，也使得隨著(zhù)擦寫(xiě)次數增多，很難判斷出寫(xiě)入的數據具體代表的bit位。其擦寫(xiě)次數一般3K左右，另外，2bit數據讀寫(xiě)使得MLC速度比SLC慢，但容量較大，價(jià)格比較便宜。

eMLC(enterprise MLC)和cMLC(consumer MLC)都是采用MLC技術(shù)，主要差別就是NAND Flash顆粒篩選參數，制作工藝和測試方法不同。通過(guò)不同標準來(lái)界定顆粒，eMLC是經(jīng)過(guò)嚴格測試和企業(yè)級標準篩選，所以可靠性和壽命最高;MLC次之;把挑選完eMLC/MLC之后顆粒成為 cMLC，可靠性和壽命都要稍差一些，但成本低，一般總在個(gè)人消費和企業(yè)非關(guān)鍵應用中。

TLC(Triple level Cell)三層式存儲單元，一個(gè)Cell中存放3bit數據(000-111)，數據密度更大，通過(guò)判定電壓確定寫(xiě)入Cell數據的難度更大，所以SLC的擦寫(xiě)次數(P/E)操作只有幾百次到上千次;可靠性和性能很低，具有成本優(yōu)勢，一般用在個(gè)人消費產(chǎn)品中(不能滿(mǎn)足企業(yè)產(chǎn)品要求)。

SSD的可靠性問(wèn)題

為了進(jìn)一步提高SSD磁盤(pán)的壽命，一方面，存儲(SSD/HDD)廠(chǎng)商還會(huì )在顆粒之上通過(guò)ECC(隨用戶(hù)數據生成一起寫(xiě)入磁盤(pán))糾錯技術(shù)糾正靜默錯誤。在數據寫(xiě)入時(shí)采用ECC編碼寫(xiě)入檢驗位，當數據由于位翻轉導致靜默錯誤，讀取數據時(shí)可以利用ECC檢驗位校正數據，并把正確數據返回主機。常用的ECC校正機制有8bit/512bit， 32bit/2KB，分別可以實(shí)現512bit中8bit數據檢驗和2KB中32bit數據錯誤的檢驗，如果錯誤的bit位數超過(guò)8/32bit(稱(chēng)為Uncorrectable bit error)，ECC是無(wú)法檢驗恢復的，必須采用RIAD機制來(lái)恢復。

另一方面，SSD廠(chǎng)商采用Over-provisioning技術(shù)提高閃存壽命。SSD的寫(xiě)入單位是Page， 擦除單位是Block，對某一塊Block擦寫(xiě)達到一定次數就會(huì )導致Block失效(寫(xiě)入的數據無(wú)法判定識別)作廢，所以SSD也提供了額外的容量(稱(chēng)為 Over- provisioning)，以便替換壞塊提高整個(gè)SSD壽命，當失效Block的容量超過(guò)Over-provisioning容量(MLC的Over-provisioning一般為SSD總容量的28%，不同介質(zhì)和廠(chǎng)商有所不同)，使得整個(gè)SSD容量小于其宣稱(chēng)容量時(shí)，該SSD就失效了。

顆粒的發(fā)展和未來(lái)

雖然NAND Flash目前處于絕對的王者地位，但是傳統的NAND Flash是一種線(xiàn)性串列的Mosfet存儲結構，這種結果限制其容量很難做大。一個(gè)可行的方式就是增加存儲密度，目前NAND Flash的存儲密度已經(jīng)可以做到微米、甚至到納米級別;但是隨著(zhù)密度增高，存儲單元Cell的浮柵周?chē)a(chǎn)生電容耦合，存儲數據能力和可靠性極速降低。

所以，3D Flash技術(shù)的出現給閃存的發(fā)展指明了方向，3D-Flash技術(shù)主要有下面三個(gè)方向。

憶阻Memristor存儲技術(shù)

憶阻器本質(zhì)上是一種有記憶功能的非線(xiàn)性電阻，通過(guò)控制電流的變化可改變其阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，通過(guò)這種電阻變化實(shí)現存儲數據的功能。

美光/英特爾聯(lián)合推出3D XPoint憶阻器存儲技術(shù)，SanDisk/惠普也達成合作協(xié)議，此次合作以惠普憶阻器技術(shù)和SanDisk的非易失性存儲器技術(shù)創(chuàng )造一個(gè)新的企業(yè)級憶阻器存儲方案。憶阻器存儲在訪(fǎng)問(wèn)速度上Flash存儲快1000倍。

3D XPoint是一種立體化的存儲技術(shù)，它看起來(lái)與同為3D設計的NAND技術(shù)相似，但本質(zhì)卻不同，3D XPoint并不單純是NAND，而是一種新的非易失性存儲技術(shù)。3D XPoint技術(shù)還允許存儲單元被堆疊到多個(gè)層中，這樣就可以有效提升存儲介質(zhì)的容量。

3D-水平NAND Flash堆疊技術(shù)

基本思路實(shí)現對現有的NAND浮柵結構進(jìn)行堆疊，獲得與普通 NAND 浮柵相同的橫向可擴展性和存儲密度，另外采用氮化硅串接技術(shù)來(lái)代替浮柵的電荷捕獲閃存方法。

串聯(lián)存儲器的存取可通過(guò)在低級非存儲器中形成一個(gè)反型溝道來(lái)避免Cell的浮柵電容耦合。這種反型溝道及其相關(guān)耗盡區為存儲介質(zhì)中所捕獲的電荷提供了高水平電荷保護，免受應用于這些底部存取器的傳輸電壓的干擾。

此外，這種雙柵結構是公認的良好橫向可微縮性方法，它通過(guò)使頂部和底部設備之間實(shí)現密切的靜電相互作用來(lái)消除短通道效應。

3D-垂直NAND Flash堆疊技術(shù)

三星電子推出獨家專(zhuān)利3D V-NAND閃存技術(shù)，提升了產(chǎn)品的容量、速度和可靠性。3D V-NAND不是使用新工藝來(lái)縮小Cell單元和提供存儲密度，而是選擇了堆疊更多層數。

傳統NAND Flash使用的是浮柵極Mosfet技術(shù)，充電/放電容易損壞柵極;三星采用控制柵極和絕緣層將Mosfet環(huán)形包裹起來(lái)提升了儲存電荷的的物理區域，從而提高性能和可靠性。

3D V-NAND技術(shù)把Cell3D化，使得在垂直方向無(wú)限堆疊擴展，三星放棄了傳統的浮柵極Mosfet，降低了寫(xiě)入時(shí)的電荷消耗，閃存壽命得到大幅提升，為未來(lái)SSD的發(fā)展開(kāi)辟非常廣闊的空間。

SSD接口技術(shù)

我們知道閃存磁盤(pán)是在HDD以后出現的，由于SSD優(yōu)異的隨機性能、越來(lái)越大的容量和越來(lái)越低的成本等優(yōu)勢，使得閃存熱度上升、乃至替換HDD的趨勢。由于歷史繼承性等原因，SSD在設計是也是借鑒了部分HDD技術(shù)，包含接口技術(shù)，現在絕大多數SSD都是采用SATA/SAS接口。SATA接口和AHCI(基于SATA接口和ATA數據指令)已是存儲的性能瓶頸凸顯，SCSI/SAS/FC接口(SCSI數據指令)組合在閃存中也是昨日黃花， NVMe指令和PCIe的組合將是未來(lái)趨勢。