閃存，是如何工作的？

閃存使用網(wǎng)格中的浮柵晶體管存儲數據。寫(xiě)入過(guò)程中，電子通過(guò)量子隧穿效應被捕獲，從而改變單元電壓。擦除操作使用塊級電壓脈沖重置電荷。由于絕緣氧化層的存在，數據即使在斷電的情況下也能保存，但反復寫(xiě)入會(huì )降低單元的性能。

浮柵晶體管如何存儲數據？

浮柵將電子捕獲在氧化層之間，從而改變晶體管的閾值電壓。這種二進(jìn)制狀態(tài) (0/1) 通過(guò)感測電流來(lái)讀取。與 DRAM 不同，電荷無(wú)需刷新周期即可保持完整。

每個(gè)閃存單元的核心都是一個(gè) MOSFET，它帶有一個(gè)夾在控制柵極和基板之間的附加浮柵。編程時(shí)，高電壓 (15-20V) 迫使電子通過(guò) Fowler-Nordheim 隧穿效應穿過(guò)隧道氧化物。這些被捕獲的電子會(huì )提高晶體管的閾值電壓，該電壓可在讀取過(guò)程中檢測到。實(shí)際上，這就像往水桶（浮柵）里注水，除非強行倒空，否則水不會(huì )漏?，F代 3D NAND 將單元垂直堆疊，并使用電荷捕獲閃存 (CTF) 來(lái)減少電子泄漏。但是，如果氧化物降解會(huì )發(fā)生什么？就像生銹的管道一樣，損壞的絕緣層會(huì )導致電荷泄漏，從而導致數據損壞。制造商使用糾錯碼 (ECC) 和更嚴格的電壓裕度來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

NAND 和 NOR 閃存架構有什么區別？

NOR 閃存使用并行單元進(jìn)行隨機訪(fǎng)問(wèn)，非常適合固件。NAND 閃存將單元串聯(lián)排列以實(shí)現高密度存儲，優(yōu)先考慮寫(xiě)入/擦除速度而不是直接尋址。

NOR 的并行結構允許字節級讀取，使其行為類(lèi)似于傳統 RAM，但具有非易失性。但是，擦除塊很大（64-128KB），寫(xiě)入速度很慢。相反，NAND 將 32-64 個(gè)晶體管串聯(lián)起來(lái)，從而實(shí)現頁(yè)面級操作（4-16KB）和更便宜的高密度設計?？梢詫?NOR 想象成一個(gè)圖書(shū)館，您可以在其中直接獲取任何書(shū)籍（字節），而 NAND 則是一條傳送帶 —— 您必須一次處理整個(gè)盒子（頁(yè)面）。從技術(shù)上講，由于單元結構更簡(jiǎn)單，NAND 實(shí)現了更高的耐用性（100K 次，而 NOR 為 10K）。對于 SSD，制造商更喜歡 3D TLC NAND，因為它具有每 GB 成本優(yōu)勢，盡管寫(xiě)入速度較慢。一個(gè)關(guān)鍵的權衡：NOR 的延遲是微秒，而 NAND 的隨機訪(fǎng)問(wèn)延遲為毫秒。

數據寫(xiě)入和擦除操作是如何進(jìn)行的？

寫(xiě)入操作通過(guò)隧穿效應注入電子，而擦除操作則利用熱載流子注入來(lái)釋放電荷。兩者都需要高壓電路，從而隨著(zhù)時(shí)間的推移對氧化層施加應力。

在編程期間，電壓差（控制柵極上為 7-10V，襯底上為 0V）會(huì )產(chǎn)生足夠強的電場(chǎng)，將電子推過(guò)隧道氧化物。擦除時(shí)，需要施加 20V 的襯底偏壓，從而逆轉這一過(guò)程，將電子拉回。但問(wèn)題在于：擦除會(huì )影響整個(gè)塊（256KB-4MB），而不是單個(gè)字節。為什么？因為在每個(gè)單元上施加如此高的電壓需要不切實(shí)際的電路。打個(gè)比方：重新粉刷整面墻（塊）比修補散落的磚塊（字節）更容易。SSD 通過(guò)過(guò)度配置來(lái)減輕擦除開(kāi)銷(xiāo)——保留額外的單元以分散磨損。但是，過(guò)多的寫(xiě)入仍然會(huì )在氧化物中產(chǎn)生電子陷阱，從而永久性地提高單元的閾值電壓。

糾錯在閃存壽命中起什么作用？

ECC 算法可以檢測/糾正由電荷泄漏或寫(xiě)入干擾引起的位錯誤。像 LDPC 這樣的高級方案可以補償老化單元帶來(lái)的問(wèn)題，但會(huì )增加延遲。

由于閃存單元要承受編程/擦除周期，因此氧化物磨損會(huì )增加誤碼率 (BER)。SLC（1 位/單元）可能使用基本 BCH 碼承受 10 萬(wàn)次循環(huán)，而 TLC（3 位/單元）需要強大的 LDPC 碼承受 10000 次循環(huán)。將 ECC 想象成數據的拼寫(xiě)檢查 - 小錯誤會(huì )自動(dòng)修復，但太多拼寫(xiě)錯誤則需要重寫(xiě)整個(gè)段落（數據重試）。從技術(shù)上講，LDPC 使用概率模型來(lái)猜測原始電荷，但這需要更多的計算能力。禁用 ECC 以提高速度（例如，在 DIY SSD 項目中）可能會(huì )導致靜默數據損壞。除了軟件之外，跨芯片的 RAID 式冗余等硬件技術(shù)也有幫助。你知道嗎？QLC NAND 中 1% 的 BER 在 3 年后可能會(huì )激增至 25% - 因此消費級 SSD 通過(guò)積極的 ECC 來(lái)隱藏這一點(diǎn)。

磨損均衡如何延長(cháng)閃存壽命？

損耗均衡技術(shù)利用固件映射將寫(xiě)入操作均勻分布到各個(gè)塊。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)方法可防止「熱點(diǎn)」過(guò)早損壞單元。

閃存控制器通過(guò)邏輯到物理地址表跟蹤每個(gè)塊的擦除次數。動(dòng)態(tài)損耗均衡將新寫(xiě)入重定向到較少使用的塊，而靜態(tài)損耗均衡則定期移動(dòng)陳舊數據。這就像汽車(chē)輪胎的旋轉一樣——均勻的磨損可以最大化總里程。例如，具有 3K 耐久性和 10% 過(guò)度配置的 1TB SSD 可以處理 3.3PB 的寫(xiě)入量，相當于 20 年內每天寫(xiě)入 45GB。但實(shí)際上，由于小規模隨機寫(xiě)入導致的寫(xiě)入放大，控制器通常會(huì )更早出現故障。專(zhuān)業(yè)提示：使用 TRIM 命令標記已刪除的文件，讓控制器在空閑時(shí)間預擦除塊。但是，損耗均衡無(wú)法解決固有的單元性能退化問(wèn)題——最終，所有 NAND 都會(huì )變得不可靠。

為什么閃存單元的性能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而下降？

反復的隧穿效應會(huì )對氧化層造成應力，形成阻礙電荷移動(dòng)的電子陷阱。累積的損傷會(huì )導致漏電流增加，直至電池無(wú)法維持規定的電壓水平。

每個(gè)編程/擦除周期都會(huì )在二氧化硅晶格中產(chǎn)生缺陷。最初，ECC 會(huì )掩蓋這些錯誤，但最終陷阱會(huì )累積，使單元變得「粘滯」——它們要么無(wú)法完全充電（編程干擾），要么泄漏太快（數據保留失?。??？梢园阉胂蟪苫▓@水管：細小的裂縫會(huì )導致小泄漏（可糾正錯誤），但完全破裂則需要更換（壞塊）。從技術(shù)上講，磨損的 QLC 中的數據保留時(shí)間會(huì )從 10 年（新的 SLC）下降到數月。高溫環(huán)境會(huì )加速這一過(guò)程——數據中心會(huì )主動(dòng)將 SSD 冷卻至 15°C 以下。