NAND 閃存作為如今各種電子設備中常見(jiàn)的非易失性存儲器，存在于固態(tài)硬盤(pán)（SSD）、USB閃存驅動(dòng)器和智能手機存儲等器件。而隨著(zhù)電腦終端、企業(yè)存儲、數據中心、甚至汽車(chē)配件等應用場(chǎng)景要求的多樣化，NAND閃存的存儲方式和堆疊技術(shù)也在持續演進(jìn)。

本文將圍繞閃存顆粒相關(guān)的概念以及發(fā)展趨勢做介紹。

NAND閃存單元

簡(jiǎn)易的NAND閃存單元示意圖

在最簡(jiǎn)單的形式中，當浮柵充電時(shí)，它被識別為“編程”狀態(tài)并標記為0。當浮柵沒(méi)有電荷時(shí)，它被識別為“擦除”狀態(tài)并標記為1。 浮柵內部捕獲的電子數量與單元晶體管的閾值電壓成正比。若捕獲大量電子，晶體管則實(shí)現高閾值電壓；若捕獲少量電子，則形成低閾值電壓。 如果周?chē)碾娐窙](méi)有改變，浮柵處于絕緣狀態(tài)，其存儲的電荷就保持狀態(tài)不變，即使器件斷電后數據也不會(huì )丟失。因此，NAND閃存便具備了非易失性。 然而，NAND閃存每個(gè)單元的編程/擦除（Program/Erase，簡(jiǎn)稱(chēng)P/E）次數是有限的。在電壓作用下，電子在硅襯底和浮柵之間穿過(guò)氧化物實(shí)現移動(dòng)的過(guò)程，稱(chēng)作“隧穿”。這個(gè)過(guò)程會(huì )造成隧道氧化層上的應力并且逐步破壞氧化層，因此浮柵最終將無(wú)法保持電荷，屆時(shí)閃存單元也無(wú)法使用，將被歸入壞塊池。

NAND閃存類(lèi)型

根據每個(gè)單元可以存儲的位數，NAND閃存類(lèi)型可以進(jìn)一步分為SLC、MLC、TLC和QLC。

各NAND閃存類(lèi)型的單元狀態(tài)

? SLC（Single-Level Cell，單層單元）：每個(gè)存儲單元僅存儲一個(gè)比特的信息，即0或1。由于每個(gè)單元只有2種狀態(tài)，SLC NAND閃存的存儲密度較低，但具有快速的寫(xiě)入速度、耐久的P/E次數，成本也最高。
? MLC（Multi-Level Cell，多層單元）：每個(gè)存儲單元可以存儲多個(gè)比特，通常是2個(gè)或4個(gè)比特。這里是相對于SLC而言，僅指存儲兩個(gè)比特的多層單元，其具有4種單元狀態(tài)。
? TLC（Triple-Level Cell，三層單元）：每個(gè)存儲單元可以存儲3比特，具有8種單元狀態(tài)。
? QLC（Quad-Level Cell，四層單元）：每個(gè)存儲單元可以存儲4比特，具有16種單元狀態(tài)。

通過(guò)在每個(gè)單元中存儲更多的比特，MLC、TLC和QLC NAND 閃存的存儲密度依次提高、成本下降、芯片外觀(guān)尺寸也大大縮減，但相應地，數據寫(xiě)入速度變慢、P/E次數減少。 目前業(yè)內早已在研制PLC（Penta-Level Cell，五層單元），即每個(gè)存儲單元可存儲5比特信息，進(jìn)一步提升存儲密度并降低成本。但同時(shí)，對存儲單元劃分越來(lái)越多的電壓閾值，讀寫(xiě)操作對電壓以及電子數量的精確度要求就越高，由此進(jìn)一步對性能以及損壞率帶來(lái)了挑戰。

顆粒優(yōu)缺點(diǎn)

基于各類(lèi)型存儲單元的閃存顆粒，在性能、使用壽命和成本等方面的對比如下表所示。

單從成本角度考慮，QLC顆粒顯然最具有優(yōu)勢，但是實(shí)際由于其電壓狀態(tài)較多，控制的難度較大，進(jìn)而帶來(lái)了顆粒穩定性和耐久性的問(wèn)題。因此，四種顆粒的性能和壽命反而是依次下降的。

以SSD存儲為例，選用顆粒時(shí)可以參考如下幾個(gè)原則：

? 性能和可靠性要求：如果對這兩方面要求較高，那么可以考慮SLC顆粒的高耐用性和快速讀寫(xiě)性能。此類(lèi)高要求常見(jiàn)于金融、醫療、軍事設備等行業(yè)，但由于市面上SLC顆粒已經(jīng)很難見(jiàn)到，這類(lèi)顆粒往往需要定制。
? 性?xún)r(jià)比要求：對于存儲容量和成本都有一定要求的情況下，可以考慮MLC顆粒，其具備相對合理的容量/價(jià)格比，常見(jiàn)于消費電子、普通企業(yè)服務(wù)器等行業(yè)。
? 存儲密度要求：如果對存儲密度有要求，也不需要極致壓縮成本，可選用TLC顆粒，常見(jiàn)于云存儲、大數據分析等場(chǎng)景。
? 海量存儲要求：QLC顆?？梢砸詷O低成本實(shí)現海量數據存儲，部分應用如數據中心、云存儲等特定場(chǎng)景可以考慮此類(lèi)顆粒。
因此，根據應用場(chǎng)景的特定需求，用戶(hù)可以靈活選用不同的閃存顆粒，實(shí)現在存儲容量、讀寫(xiě)性能、壽命和成本上的平衡。

3D NAND發(fā)展趨勢

伴隨著(zhù)存儲密度的持續提升，NAND閃存設計制造也正在經(jīng)歷從平面到立體、從2D到3D的演進(jìn)。
2D NAND的容量取決于單Die上容納的單元數量以及每個(gè)單元可以存儲的比特，其發(fā)展很容易遇到瓶頸。而相較于2D NAND的水平堆疊，3D NAND更像摩天大樓，利用縱向維度，把閃存顆粒在立體空間內進(jìn)行多層垂直堆疊。

從具體設計和實(shí)現上來(lái)看，3D NAND也更多地采用電荷捕獲型結構（charge trap）而不再單純沿用浮柵設計，或將電流路徑從單晶硅通道提升為多晶硅通道等，擴大了空間。

3D NAND技術(shù)已廣泛應用于終端SSD，可以大幅度優(yōu)化性能、功耗、耐用性以及成本，借助糾正技術(shù)和均衡算法也進(jìn)一步提高了存儲系統的可靠性，滿(mǎn)足數據中心、云計算和更多的關(guān)鍵應用場(chǎng)景下的存儲需求。

聚焦于SSD存儲領(lǐng)域，硬盤(pán)的性能和穩定性在很大程度上取決于其主控制器與NAND顆粒之間的協(xié)同工作方式。作為硬盤(pán)的大腦，主控制器將精確控制NAND的所有操作并通過(guò)算法優(yōu)化來(lái)延長(cháng)SSD的整體壽命與性能提升。

憶聯(lián)自研存儲控制器芯片目前已支持SLC、MLC、TLC與QLC全部四種顆粒，且前三者已實(shí)現產(chǎn)品化。關(guān)于主控的更多介紹，請關(guān)注后續的Tech Talk專(zhuān)題文章。