Tech Talk:解读闪存原理与颗粒类型

日期:2024-02-20 浏览:685 分享:

微信扫一扫:分享

使用微信扫一扫

http://www.unionmem.com/news_detail.php?menuid=107&id=120

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、军事设备等行业,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。



您可能对其它新闻感兴趣

  • 上一篇

  • 下一篇

    性能领先|忆联×新华三,打造超融合架构下的高性能存储方案

     
  • 产品中心
    企业级固态硬盘
    数据中心级固态硬盘
    消费级固态硬盘
    嵌入式存储
    解决方案
    服务器
    数据中心
    个人电脑
    移动终端
    智能穿戴
    技术方案
    核心技术
    存储控制器开发
    固件设计
    封装测试
    服务支持
    下载中心
    咨询与投诉
    关于忆联
    企业简介
    大事记
    荣誉资质
    企业文化
    联系我们
    新闻资讯
    公司新闻
    媒体报道
    展会活动
    技术白皮书
    投资者关系
    公司治理
    管理团队
    财务报告
    最新公告
    加入我们
    社会招聘
    校园招聘

    深圳忆联信息系统有限公司

    地址:深圳市南山区记忆科技后海中心B座19楼

    电话:0755-2681 3300

    邮箱:support@unionmem.com

  • 微信:
  • 官方微博

  • Copyright © 2020-2024 All Rights Reserved. 粤ICP备18155700号 技术支持:深圳忆联信息系统有限公司 法律声明 隐私政策