全面解析閃存技術大餐 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Flash控制電路選通原理來讀/寫對應地址數據，不必采用笨拙的機械磁頭定位數據外;其二是SSD在充電寫入數據前，必需要擦除原有的數據，每次充電和放電稱為一次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。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，可靠性越好，價格也越高。

NAND Flash顆粒分類

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Cell中只存儲1bit數據(0/1)，在寫入數據后就高低2為電平，由于判定寫入數據值電壓的區間小，所以可擦寫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Cell中可以存儲2bit數據(00/01/10/11)，相比SLC，判定寫入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(擦寫會對顆粒的絕緣層造成損壞)，也使得隨著擦寫次數增多，很難判斷出寫入的數據具體代表的bit位。其擦寫次數一般3K左右，另外，2bit數據讀寫使得MLC速度比SLC慢，但容量較大，價格比較便宜。

eMLC(enterprise MLC)和cMLC(consumer MLC)都是采用MLC技術，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。通過不同標準來界定顆粒，eMLC是經過嚴格測試和企業級標準篩選，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，一般總在個人消費和企業非關鍵應用中。

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

SSD的可靠性問題

為了進一步提高SSD磁盤的壽命，一方面，存儲(SSD/HDD)廠商還會在顆粒之上通過ECC(隨用戶數據生成一起寫入磁盤)糾錯技術糾正靜默錯誤。在數據寫入時采用ECC編碼寫入檢驗位，當數據由于位翻轉導致靜默錯誤，讀取數據時可以利用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8/32bit(稱為Uncorrectable bit error)，ECC是無法檢驗恢復的，必須采用RIAD機制來恢復。

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

顆粒的發展和未來

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

所以，3D Flash技術的出現給閃存的發展指明了方向，3D-Flash技術主要有下面三個方向。

憶阻Memristor存儲技術

憶阻器本質上是一種有記憶功能的非線性電阻，通過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”，通過這種電阻變化實現存儲數據的功能。

美光/英特爾聯合推出3D XPoint憶阻器存儲技術，SanDisk/惠普也達成合作協議，此次合作以惠普憶阻器技術和SanDisk的非易失性存儲器技術創造一個新的企業級憶阻器存儲方案。憶阻器存儲在訪問速度上Flash存儲快1000倍。

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

3D-水平NAND Flash堆疊技術

基本思路實現對現有的NAND浮柵結構進行堆疊，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來代替浮柵的電荷捕獲閃存方法。

串聯存儲器的存取可通過在低級非存儲器中形成一個反型溝道來避免Cell的浮柵電容耦合。這種反型溝道及其相關耗盡區為存儲介質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，它通過使頂部和底部設備之間實現密切的靜電相互作用來消除短通道效應。

3D-垂直NAND Flash堆疊技術

三星電子推出獨家專利3D V-NAND閃存技術，提升了產品的容量、速度和可靠性。3D V-NAND不是使用新工藝來縮小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，充電/放電容易損壞柵極;三星采用控制柵極和絕緣層將Mosfet環形包裹起來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技術把Cell3D化，使得在垂直方向無限堆疊擴展，三星放棄了傳統的浮柵極Mosfet，降低了寫入時的電荷消耗，閃存壽命得到大幅提升，為未來SSD的發展開辟非常廣闊的空間。

SSD接口技術

我們知道閃存磁盤是在HDD以后出現的，由于SSD優異的隨機性能、越來越大的容量和越來越低的成本等優勢，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，包含接口技術，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的組合將是未來趨勢。