NAND Flash 原理深度解析（上）

Nand Flash存儲(chǔ)器是Flash存儲(chǔ)器的一種，其內(nèi)部采用非線性宏單元模式，為固態(tài)大容量?jī)?nèi)存的實(shí)現(xiàn)提供了高性價(jià)比、高性能的解決方案。Nand Flash存儲(chǔ)器具有容量較大、改寫速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，因而在業(yè)界得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文則將為大家介紹Nand Flash的工作原理和自身的特性。

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

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(guó)際存儲(chǔ)廠商們發(fā)布了10年的路標(biāo)，未來(lái)10年介質(zhì)將持續(xù)演進(jìn)。綜合半導(dǎo)體設(shè)備制造商以及原廠長(zhǎng)期路標(biāo)來(lái)看，預(yù)計(jì)3D NAND堆疊層數(shù)可達(dá)500層以上（~2030年）。在未來(lái)3年，預(yù)計(jì)介質(zhì)存儲(chǔ)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。

圖2

3D NAND的演進(jìn)趨勢(shì)

- Multi-Stack

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

- CNA到CUA/PUC

閃存的Die里面分為存儲(chǔ)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(chǔ)陣列放在了電路下面，即CMOS Under Array（CUA）。

圖3

- TLC到QLC到PLC

隨著存儲(chǔ)密度不斷增加，3D TLC (3bits/cell)成為主流存儲(chǔ)介質(zhì)，3D QLC (4bits/cell)蓄勢(shì)待發(fā)。但是隨著密度的增加，可靠性會(huì)隨之降低，所以在應(yīng)用的時(shí)候需要格外小心。現(xiàn)在PLC(5bits/cell)處于實(shí)驗(yàn)室技術(shù)預(yù)研階段，將持續(xù)提高存儲(chǔ)密度。

圖4

- IOB/Interface Chip

隨著介質(zhì)接口的速度越來(lái)越高，Nand引入了接口芯片?，F(xiàn)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(dāng)產(chǎn)品對(duì)介質(zhì)速率有要求、并且負(fù)載較重時(shí)，需要IO Buffer（即IOB）來(lái)提升介質(zhì)總線速率。

介質(zhì)將會(huì)持續(xù)演進(jìn)，隨之帶來(lái)的是在硬盤產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)，當(dāng)介質(zhì)隨著層數(shù)增加，Block會(huì)越來(lái)越大。未來(lái)一個(gè)Block可能將從現(xiàn)在的20-30MB一直擴(kuò)大到100+MB，而一旦Block受到損壞，將導(dǎo)致100+MB容量空間中的內(nèi)容直接丟失，這是對(duì)系統(tǒng)管理的一大挑戰(zhàn)。同時(shí)，多次堆疊形成的3D介質(zhì)，其讀寫的時(shí)延和出錯(cuò)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(xù)為大家分享關(guān)于NAND Flash原理和應(yīng)用的內(nèi)容。

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