NAND閃存是一種大眾化的非易失性存儲(chǔ)器,主要是因?yàn)樾⌒停凸那覉?jiān)固耐用。 盡管此技術(shù)適合現(xiàn)代存儲(chǔ),但在將其列入較大系統(tǒng)的一部分時(shí),需要考慮許多重要特性。 這些特性適用于所有類型的存儲(chǔ),包括耐用性,密度,性能,每千兆字節(jié)價(jià)格,錯(cuò)誤概率和數(shù)據(jù)保留。
閃存概述
閃存單元由修改的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)組成,在控制柵極和通道之間的絕緣層中具有額外的“浮置”柵極。 通過(guò)施加高壓將電荷注入到浮柵上(或從浮柵上去除)。 這會(huì)改變打開(kāi)晶體管所需的柵極電壓,該電壓代表存儲(chǔ)在單元中的值。 這些單元的陣列構(gòu)成一個(gè)塊,整個(gè)存儲(chǔ)器由多個(gè)塊組成。
由于浮柵完全被絕緣層包圍,因此即使斷電,也會(huì)保留存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
NAND閃存單元圖(在Hyperstone Youtube頻道上有詳細(xì)說(shuō)明)
閃存陣列的簡(jiǎn)化圖。 黃色框突出顯示die,淺灰色為plane,深藍(lán)色為塊,淺藍(lán)色框則為page。 該圖僅用于可視化層次結(jié)構(gòu),而不能按比例繪制。 (Hyperstone Youtube頻道有更加詳細(xì)說(shuō)明)
NAND閃存的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理使用可用頁(yè)面寫入數(shù)據(jù)的方式。 在將新數(shù)據(jù)寫入頁(yè)面之前,必須先擦除該頁(yè)面。 但是,只能擦除包含許多頁(yè)面而不是單個(gè)頁(yè)面的整個(gè)塊。 此過(guò)程很復(fù)雜,由單獨(dú)的設(shè)備(稱為閃存控制器)進(jìn)行管理。 控制器需要做大量工作才能最有效地利用閃存:管理數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置和塊的重復(fù)使用方式。
閃存編程和耐久性
每次對(duì)單元進(jìn)行編程和擦除時(shí),浮柵下的絕緣層都會(huì)受到輕微損壞,從而影響存儲(chǔ)單元的可靠性。 每個(gè)單元具備有限的保證編程擦除周期數(shù)量,這被稱為持久性。 這種耐久性可有效測(cè)定存儲(chǔ)器的壽命。 憑借閃存控制器,可以通過(guò)仔細(xì)管理塊的使用方式,達(dá)到最大限度化提高有限的耐用性,以確保它們均被平等地使用。 這是由閃存應(yīng)用的一種技術(shù),稱為損耗平衡。盡可能減少開(kāi)銷量也很重要,從而達(dá)到寫入放大。
內(nèi)存的壽命也可以通過(guò)預(yù)留空間來(lái)延長(zhǎng),這會(huì)減少用戶可見(jiàn)的內(nèi)存并增加備用內(nèi)存。 額外的容量在應(yīng)用損耗均衡時(shí)提供更多靈活性,因?yàn)槿哂嗳菰S有些塊無(wú)法用超出容量的塊來(lái)取代。 但是,由于增加冗余塊會(huì)降低有效存儲(chǔ)容量,因此反過(guò)來(lái)會(huì)增加每位的有效成本。
增加存儲(chǔ)密度
選擇存儲(chǔ)技術(shù)時(shí),考慮的主因之一是管理每GB的成本。 硅芯片的制造成本幾乎完全取決于面積,而不是功能。 因此,可以通過(guò)提供特定容量所需的面積來(lái)降低每GB閃存的成本。最可行的辦法是通過(guò)轉(zhuǎn)往更小的制造工藝來(lái)減小存儲(chǔ)單元的尺寸。 但是,閃存的物理性質(zhì)限制了這種縮放比例,因此閃存供應(yīng)商已轉(zhuǎn)向其他方法來(lái)提高密度。
第一步是在每個(gè)存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)兩位而不是一個(gè)位。 這就是所謂的多級(jí)單元(MLC)閃存。 從那時(shí)起,已經(jīng)制造出在三級(jí)單元(TLC)中存儲(chǔ)三位并且在四級(jí)單元(QLC)中存儲(chǔ)四位的閃存。 內(nèi)存的原始類型現(xiàn)在稱為單級(jí)單元(SLC)。
權(quán)衡利弊
以下特性在SLC,MLC,TLC和QLC NAND閃存之間有所不同。
耐力:?jiǎn)蝹€(gè)單元在變得不可靠之前可以寫入的P / E周期數(shù)。 由于存儲(chǔ)多個(gè)位的單元使用與存儲(chǔ)單個(gè)位的單元相同的生產(chǎn)過(guò)程來(lái)制造,因此讀取余量較小。 這使得讀取真實(shí)電壓電平更加困難,從而導(dǎo)致較高的讀取錯(cuò)誤率。
密度:隨著每個(gè)單元中存儲(chǔ)更多位,總體位密度相應(yīng)增加。 由于MLC,TLC和QLC存儲(chǔ)器通常是在功能更小,功能更現(xiàn)代的工藝上制造的,因此可以進(jìn)一步提高這一點(diǎn)。
性能:隨著單元中存儲(chǔ)的級(jí)別越來(lái)越多,編程復(fù)雜性也隨之增加。 同樣,在讀取時(shí),可能需要對(duì)輸出進(jìn)行多次采樣才能獲得正確的數(shù)據(jù)。 SLC存儲(chǔ)器具有最簡(jiǎn)單的編程過(guò)程,電壓水平相距較遠(yuǎn),因此更容易區(qū)分它們。 因此, SLC通常比MLC具有更快的讀寫性能。
每GB的價(jià)格:由于QLC閃存的密度最高,因此每GB的價(jià)格最低。 增加密度所帶來(lái)的收益可能會(huì)因?yàn)樾枰呒?jí)別的超額配置來(lái)彌補(bǔ)耐久力降低而略有抵消。
錯(cuò)誤概率:如果將多個(gè)位存儲(chǔ)在一個(gè)單元中,則讀取存儲(chǔ)值時(shí)出錯(cuò)的可能性更大。 這增加了存儲(chǔ)器的原始錯(cuò)誤率。 這可以通過(guò)更復(fù)雜的糾錯(cuò)方法來(lái)補(bǔ)償,因此不必直接轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)看到的錯(cuò)誤。
數(shù)據(jù)保留:閃存在不通電時(shí)能夠隨著時(shí)間的推移保持存儲(chǔ)數(shù)據(jù)完整性的能力。 每次寫入閃存單元時(shí)(一個(gè)P/E周期),該單元的氧化層都會(huì)稍微退化,并且該單元保留數(shù)據(jù)的能力會(huì)降低。
下表總結(jié)這些大概要意。
NAND閃存被用來(lái)作為包括SSD,USB驅(qū)動(dòng)器和SD卡等許多類型的存儲(chǔ)產(chǎn)品的主要部分。 為了滿足客戶在價(jià)格,性能和可靠性方面的期望,上述每個(gè)特性之間都要進(jìn)行權(quán)衡。
該選擇還可以取決于存儲(chǔ)單元正在與之通信的應(yīng)用程序或主機(jī)。 例如,應(yīng)用程序的存取模式各不相同:有些可能會(huì)進(jìn)行大量隨機(jī)讀寫,有些可能會(huì)更多地依賴大型順序?qū)懭耄?視頻錄制。 還有諸如溫度之類的外部因素,它們可以改變存儲(chǔ)單元的行為。 閃存控制器在管理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時(shí)需要能夠考慮這些所有因素。 Hyperstone閃存控制器中的固件可以針對(duì)特定用例進(jìn)行微調(diào)。
在設(shè)計(jì)使用NAND閃存的系統(tǒng)時(shí),選擇適當(dāng)?shù)奶匦云胶夥浅V匾?閃存控制器還必須足夠靈活,以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋?quán)衡。 選擇正確的閃存控制器對(duì)于確保閃存滿足產(chǎn)品要求至關(guān)重要。
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