Nand Flash存儲器是Flash存儲器的一種，其內部采用非線(xiàn)性宏單元模式，為固態(tài)大容量?jì)却娴膶?shí)現提供了高性?xún)r(jià)比、高性能的解決方案。Nand Flash存儲器具有容量較大、改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數據的存儲，因而在業(yè)界得到了越來(lái)越廣泛的應用。本文則將為大家介紹Nand Flash的工作原理和自身的特性。

一、NAND Flash Wafer、PKG及SSD

Nand Flash Die 是從Wafer身上切割出來(lái)，一個(gè)Wafer有很多個(gè)Die。之后再進(jìn)行封裝，變成一個(gè)顆粒。像圖1所示，一個(gè)封裝可以放1/2/4/8/16個(gè)Die，分別叫做SDP/DDP/QDP/ODP/HDP。將顆粒和主控、DDR，電阻、電容等一起焊到PCB板上，就形成了SSD產(chǎn)品。

圖1

二、NAND 的歷史

自1991年全球首個(gè)4MB NAND閃存問(wèn)世，此后12MB NAND閃存、1GB NAND閃存、1GB MLC NAND閃存也相繼推出，直至2007年NAND閃存正式從2D進(jìn)入3D時(shí)代。

國際存儲廠(chǎng)商們發(fā)布了10年的路標，未來(lái)10年介質(zhì)將持續演進(jìn)。綜合半導體設備制造商以及原廠(chǎng)長(cháng)期路標來(lái)看，預計3D NAND堆疊層數可達500層以上（~2030年）。在未來(lái)3年，預計介質(zhì)存儲密度(Gb/mm2)增加一倍，單位成本($/GB)降低50%+，因此，搭載最新的介質(zhì)來(lái)打造SSD產(chǎn)品可以充分享受介質(zhì)技術(shù)進(jìn)步的紅利。

三、NAND Flash 2D to 3D

閃存的技術(shù)從2D演變到了3D。2D NAND主流技術(shù)是Floating Gate（FG) , 通過(guò)減小特征尺（(e.g. 20nm到16nm) 提高存儲密度；3D NAND主流技術(shù)是Charge Trap（CT），通過(guò)提高堆疊層數（e.g. 64L到96L）提高存儲密度，現在主流的存儲介質(zhì)都是基于Charge Trap技術(shù)的3D NAND。

圖2

3D NAND的演進(jìn)趨勢

- Multi-Stack

通過(guò)Multi-Stack技術(shù)解決3D堆疊工藝挑戰，但Stack之間會(huì )產(chǎn)生額外可靠性問(wèn)題。不同Layer間參數不同，可能導致單Block內RBER/tPROG/tR差異加劇。

- CNA到CUA/PUC

閃存的Die里面分為存儲陣列和外圍控制電路，原來(lái)并排分布的，即CMOS Near Array(CNA)。后來(lái)隨著(zhù)尺寸越來(lái)越小，外圍電路占的面積越來(lái)越大，不利于成本降低，因此把存儲陣列放在了電路下面，即CMOS Under Array（CUA）。

圖3

- TLC到QLC到PLC

隨著(zhù)存儲密度不斷增加，3D TLC (3bits/cell)成為主流存儲介質(zhì)，3D QLC (4bits/cell)蓄勢待發(fā)。但是隨著(zhù)密度的增加，可靠性會(huì )隨之降低，所以在應用的時(shí)候需要格外小心?，F在PLC(5bits/cell)處于實(shí)驗室技術(shù)預研階段，將持續提高存儲密度。

圖4

- IOB/Interface Chip

隨著(zhù)介質(zhì)接口的速度越來(lái)越高，Nand引入了接口芯片?，F在主流NAND的接口速率是2.4Gbps左右，并快速向3.6/4.8Gbps演進(jìn)。當產(chǎn)品對介質(zhì)速率有要求、并且負載較重時(shí)，需要IO Buffer（即IOB）來(lái)提升介質(zhì)總線(xiàn)速率。

四、介質(zhì)持續演進(jìn)帶來(lái)的技術(shù)挑戰

介質(zhì)將會(huì )持續演進(jìn)，隨之帶來(lái)的是在硬盤(pán)產(chǎn)品設計上的挑戰，當介質(zhì)隨著(zhù)層數增加，Block會(huì )越來(lái)越大。未來(lái)一個(gè)Block可能將從現在的20-30MB一直擴大到100+MB，而一旦Block受到損壞，將導致100+MB容量空間中的內容直接丟失，這是對系統管理的一大挑戰。同時(shí)，多次堆疊形成的3D介質(zhì)，其讀寫(xiě)的時(shí)延和出錯率的一致性，特別是邊界上介質(zhì)的可靠性，都需要特別關(guān)注。

下一期將繼續為大家分享關(guān)于NAND Flash原理和應用的內容。