NAND 閃存作為如今各種電子設(shè)備中常見(jiàn)的非易失性存儲(chǔ)器，存在于固態(tài)硬盤(pán)（SSD）、USB閃存驅(qū)動(dòng)器和智能手機(jī)存儲(chǔ)等器件。而隨著電腦終端、企業(yè)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)中心、甚至汽車配件等應(yīng)用場(chǎng)景要求的多樣化，NAND閃存的存儲(chǔ)方式和堆疊技術(shù)也在持續(xù)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(shì)做介紹。

NAND閃存單元

NAND閃存基于浮柵晶體管，通過(guò)其中所存儲(chǔ)的電荷量表示不同的數(shù)據(jù)。NAND 閃存由NAND閃存單元（cell）組成，每個(gè)單元包含一個(gè)浮柵晶體管、一個(gè)源極和一個(gè)漏極。

簡(jiǎn)易的NAND閃存單元示意圖

在最簡(jiǎn)單的形式中，當(dāng)浮柵充電時(shí)，它被識(shí)別為“編程”狀態(tài)并標(biāo)記為0。當(dāng)浮柵沒(méi)有電荷時(shí)，它被識(shí)別為“擦除”狀態(tài)并標(biāo)記為1。

浮柵內(nèi)部捕獲的電子數(shù)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(xiàn)高閾值電壓；若捕獲少量電子，則形成低閾值電壓。

如果周圍的電路沒(méi)有改變，浮柵處于絕緣狀態(tài)，其存儲(chǔ)的電荷就保持狀態(tài)不變，即使器件斷電后數(shù)據(jù)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P/E）次數(shù)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(xiàn)移動(dòng)的過(guò)程，稱作“隧穿”。這個(gè)過(guò)程會(huì)造成隧道氧化層上的應(yīng)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閃存類型

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

各NAND閃存類型的單元狀態(tài)

SLC（Single-Level Cell，單層單元）

每個(gè)存儲(chǔ)單元僅存儲(chǔ)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(chǔ)密度較低，但具有快速的寫(xiě)入速度、耐久的P/E次數(shù)，成本也最高。

MLC（Multi-Level Cell，多層單元）

每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)多個(gè)比特，通常是2個(gè)或4個(gè)比特。這里是相對(duì)于SLC而言，僅指存儲(chǔ)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(chǔ)單元可以存儲(chǔ)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(chǔ)單元可以存儲(chǔ)4比特，具有16種單元狀態(tài)。

通過(guò)在每個(gè)單元中存儲(chǔ)更多的比特，MLC、TLC和QLC NAND 閃存的存儲(chǔ)密度依次提高、成本下降、芯片外觀尺寸也大大縮減，但相應(yīng)地，數(shù)據(jù)寫(xiě)入速度變慢、P/E次數(shù)減少。

目前業(yè)內(nèi)早已在研制PLC（Penta-Level Cell，五層單元），即每個(gè)存儲(chǔ)單元可存儲(chǔ)5比特信息，進(jìn)一步提升存儲(chǔ)密度并降低成本。但同時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)單元?jiǎng)澐衷絹?lái)越多的電壓閾值，讀寫(xiě)操作對(duì)電壓以及電子數(shù)量的精確度要求就越高，由此進(jìn)一步對(duì)性能以及損壞率帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

顆粒優(yōu)缺點(diǎn)

基于各類型存儲(chǔ)單元的閃存顆粒，在性能、使用壽命和成本等方面的對(duì)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(shì)，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(wěn)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(chǔ)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(duì)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。此類高要求常見(jiàn)于金融、醫(yī)療設(shè)備等行業(yè)，但由于市面上SLC顆粒已經(jīng)很難見(jiàn)到，這類顆粒往往需要定制。

性價(jià)比要求

對(duì)于存儲(chǔ)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(duì)合理的容量/價(jià)格比，常見(jiàn)于消費(fèi)電子、普通企業(yè)服務(wù)器等行業(yè)。

存儲(chǔ)密度要求

如果對(duì)存儲(chǔ)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(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析等場(chǎng)景。

海量存儲(chǔ)要求

QLC顆粒可以以極低成本實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，部分應(yīng)用如數(shù)據(jù)中心、云存儲(chǔ)等特定場(chǎng)景可以考慮此類顆粒。

因此，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的特定需求，用戶可以靈活選用不同的閃存顆粒，實(shí)現(xiàn)在存儲(chǔ)容量、讀寫(xiě)性能、壽命和成本上的平衡。

3D NAND發(fā)展趨勢(shì)

伴隨著存儲(chǔ)密度的持續(xù)提升，NAND閃存設(shè)計(jì)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(shù)量以及每個(gè)單元可以存儲(chǔ)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(nèi)進(jìn)行多層垂直堆疊。

從具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)上來(lái)看，3D NAND也更多地采用電荷捕獲型結(jié)構(gòu)（charge trap）而不再單純沿用浮柵設(shè)計(jì)，或?qū)?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流路徑從單晶硅通道提升為多晶硅通道等，擴(kuò)大了空間。

3D NAND技術(shù)已廣泛應(yīng)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(chǔ)系統(tǒng)的可靠性，滿足數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算和更多的關(guān)鍵應(yīng)用場(chǎng)景下的存儲(chǔ)需求。

聚焦于SSD存儲(chǔ)領(lǐng)域，硬盤(pán)的性能和穩(wěn)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(zhǎng)SSD的整體壽命與性能提升。

憶聯(lián)自研存儲(chǔ)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(xiàn)產(chǎn)品化。關(guān)于主控的更多介紹，請(qǐng)關(guān)注后續(xù)的Tech Talk專題文章。