Tech Talk：解读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，请关注后续的Tech Talk专题文章。