NAND Flash 發(fā)展史

硬盤作為電腦存儲的主要設備，分為機械硬盤和固態(tài)硬盤兩大類。目前，固態(tài)硬盤SSD由于工藝的提升和價格的降低，因為其高性能，已經(jīng)逐步成為用戶硬盤的首選方案。

用戶在了解 SSD 相關技術的時候，經(jīng)常遇到 SLC MLC TLC QLC 等術語。

要介紹這些術語，需要先了解SSD存儲的原理。與機械硬盤的原理不同，固態(tài)硬盤采用閃存（NAND Flash）芯片存儲數(shù)據(jù)，這種閃存芯片也是優(yōu)盤和手機存儲所使用的數(shù)據(jù)存儲設備。

SSD閃存的基本存儲單位是浮柵晶體管（Floating Gate Metal-Oxide-Semiconductor，簡稱 FGMOS），通過對晶體管進行充電和放電操作來進行數(shù)據(jù)擦除及寫入，每個晶體管能充放電的次數(shù)是有限的，因此使用P/E值作為SSD壽命的重要衡量指標，P/E的全稱是 Program/Erase（寫入/擦除），一般稱為“擦寫次數(shù)”。

當然，基于計算機的基本原理，SSD中存儲的數(shù)據(jù)都是0和1形式的二進制數(shù)據(jù)，在SSD中進行存儲的基本單位是單元（Cell）。

最早SSD的一個Cell單元只能存儲1 bit信息，也就是只有0、1兩種電壓變化，可用來存儲一位的二進制數(shù)據(jù)。這種方式結構簡單，電壓控制也快速，特點是壽命長，性能強，P/E 擦寫次數(shù)在9萬到10萬次之間，但缺點是容量低、成本高，畢竟一個Cell單元只能存儲1bit信息。這種方式被稱為 Single-Level Cell（單層單元），簡寫為SLC。

存儲設備是容量為王的領域，容量大小是用戶選購的首選，為了提高SSD的容量，技術人員改進SLC技術，變?yōu)橐粋€Cell單元可以存儲2 bit信息。這需要有更復雜的電壓控制，有00,01,10,11四種變化。這種技術提高了存儲容量、降低了生產(chǎn)成本，但造成的弊端是寫入性能、可靠性降低，P/E 擦寫次數(shù)根據(jù)制程不同降為8000-10000次不等。這種技術被稱為 Multi-Level Cell（多層單元，簡稱MLC）。

依此類推，人們又發(fā)明了 每單元存儲3 bit 的 Trinary-Level Cell（三層單元，簡稱TLC）技術，生產(chǎn)成本更低，價格更便宜，但性能更差、壽命更短，P/E擦寫次數(shù)約500-1000次。
每單元存儲4 bit 的 Quad-Level Cell（四層單元，簡稱 QLC），電壓有16種變化，當然生產(chǎn)成本更低，容量可達到10~100TB數(shù)量級，在人們關心的壽命方面，前期預測 QLC 的 P/E 擦寫次數(shù)僅有 100-150 次，擔心QLC不耐用。但后來業(yè)界廠商表示 3D QLC 閃存能經(jīng)受1000次擦寫，比預測壽命多了十倍。

以上介紹的 NAND 閃存一直基于二維平面的 NAND 技術，也稱為 2D NAND 閃存，在二維平面上對晶體管進行微縮，提高存儲密度，以獲得更大容量，但這種技術已接近達到極限。

NAND Flash 進入 232 層時代

為了在維持性能的同時實現(xiàn)容量提升，科研人員研制了新的 3D NAND 技術，目前已經(jīng)成為閃存的主流技術。

在3D NAND中，每單元仍然可以存儲多個bit，可分為 SLC MLC TLC QLC 幾種類型，也稱為 3D-SLC 3D-MLC 等。

在美光推出 232 層 NAND 之后，三星電子、西數(shù)、鎧俠等原廠也在積極推進閃存層數(shù)迭代。大數(shù)據(jù)、云計算等技術發(fā)展，持續(xù)提升NAND Flash需求，同時也不斷推動著NAND技術的升級和迭代。