在數(shù)字世界，用戶存儲(chǔ)在SSD上的數(shù)據(jù)最終會(huì)被保存至非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，而存儲(chǔ)介質(zhì)的特性直接影響SSD的主控和固件設(shè)計(jì)。NAND Flash是當(dāng)前電子設(shè)備中常見的非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)，下面我們將為大家講解NAND Flash的基本原理和特性。

什么是NAND Flash?

Nand Flash是一種非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)介質(zhì)，基于浮柵（Floating Gate）晶體管設(shè)計(jì)，通過浮柵來鎖存電荷，電荷被存儲(chǔ)在浮柵中，他們?cè)跓o電源供應(yīng)的情況下仍然可以保持。數(shù)據(jù)在Flash內(nèi)存單元中是以電荷的形式存儲(chǔ)的，存儲(chǔ)電荷的多少取決于浮柵的外部門所被施加的電壓，其控制了是向存儲(chǔ)單元中充入電荷還是釋放電荷。而數(shù)據(jù)的表示，以所存儲(chǔ)的電荷的電壓是否超過一個(gè)特定的閾值Vth來表示。

• 對(duì)于NAND Flash的寫入，就是控制Control Gate去充電（對(duì)CG加壓），使得懸浮門存儲(chǔ)的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示0。
• 對(duì)于NAND Flash的擦除，就是對(duì)懸浮門放點(diǎn)，低于閾值Vth，就表示1。

它是閃存的一種形式，這意味著它可以被電擦除和重新編程。NAND閃存以NAND（NOT-AND）邏輯門命名，該邏輯門用于其基本架構(gòu)。術(shù)語“NAND”源自存儲(chǔ)單元以串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)的方式組織，類似于NAND門。該技術(shù)廣泛用于各種存儲(chǔ)設(shè)備，例如固態(tài)硬盤 （SSD）、USB 閃存驅(qū)動(dòng)器、存儲(chǔ)卡和智能手機(jī)。

(左圖）NAND閃存陣列的示意圖。串聯(lián)連接的器件的垂直string經(jīng)由由drain select line（DSL）和source select line（SSL）驅(qū)動(dòng)的選擇晶體管附接到bitlines 和 sourceline；

(右圖)陣列沿著WL方向（a）和串方向（b）的示意性橫截面（綠色＝硅，紅色＝浮柵，紅色＝WL，白色＝氧化硅）。（c）顯示了具有基本單元(虛線)的陣列布局。

NAND Flash主要特點(diǎn)

存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)

• NAND Flash存儲(chǔ)器的基本存儲(chǔ)單元是浮柵晶體管。這些晶體管可以存儲(chǔ)一位信息（0或1），多個(gè)晶體管組合在一起形成存儲(chǔ)單元。

存取方式

• NAND Flash允許隨機(jī)訪問，但通常以頁為單位進(jìn)行讀取和寫入操作。擦除操作則以塊為單位進(jìn)行。

寫入和擦除周期

• NAND Flash可以經(jīng)受數(shù)萬到數(shù)十萬次的寫入和擦除周期，但它的壽命通常比NOR Flash要短。

速度

• NAND Flash的讀寫速度通常比NOR Flash快，這使得它更適合用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

成本

由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，NAND Flash的單位存儲(chǔ)成本較低，因此在大容量存儲(chǔ)應(yīng)用中更具成本效益。

錯(cuò)誤率

• NAND Flash比其他類型的存儲(chǔ)器更容易出現(xiàn)位錯(cuò)誤，因此通常需要錯(cuò)誤校正碼（ECC）來確保數(shù)據(jù)的完整性。

接口

• NAND Flash設(shè)備通常通過I/O接口與控制器通信，支持多種接口標(biāo)準(zhǔn)，如ONFI（Open NAND Flash Interface Working Group）和Toggle Mode。

應(yīng)用

• 由于其高存儲(chǔ)密度和成本效益，NAND Flash在消費(fèi)電子、企業(yè)存儲(chǔ)解決方案和嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

NAND Flash工作原理

NAND Flash 的存儲(chǔ)單元是一種三端器件，與場效應(yīng)管類似，包含源極、漏極和柵極，柵極與硅襯底之間有二氧化硅絕緣層，用于保護(hù)浮置柵極中的電荷不會(huì)泄漏，從而使存儲(chǔ)單元具有電荷保持能力。其擦除和寫入數(shù)據(jù)基于隧道效應(yīng)，即電流穿過浮置柵極與硅基層之間的絕緣層，對(duì)浮置柵極進(jìn)行充電（寫數(shù)據(jù)）或放電（擦除數(shù)據(jù)）。

NAND Flash 通過在存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)電荷來表示數(shù)據(jù)。每個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一個(gè)或多個(gè)比特的數(shù)據(jù)。在寫入數(shù)據(jù)時(shí)，電子被注入到存儲(chǔ)單元中；在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，通過檢測存儲(chǔ)單元中的電荷狀態(tài)來確定存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。擦除數(shù)據(jù)時(shí)，通過施加高電壓將存儲(chǔ)單元中的電荷釋放掉。

NAND Flash基于浮柵晶體管，浮柵晶體管排列成網(wǎng)格狀陣列。每個(gè)晶體管有兩個(gè)柵極：一個(gè)控制柵極和一個(gè)浮動(dòng)?xùn)艠O。浮動(dòng)?xùn)艠O由氧化層電隔離，使其能夠捕獲電子。浮柵上電子的存在與否決定了存儲(chǔ)單元的二進(jìn)制狀態(tài)，代表“0”或“1”。

讀取數(shù)據(jù)

為了從NAND閃存單元讀取數(shù)據(jù)，需要向控制門施加電壓。如果浮柵上存在電子，晶體管將不會(huì)傳導(dǎo)電流，表示“0”狀態(tài)。如果浮柵為空，晶體管將傳導(dǎo)電流，表示“1”狀態(tài)。

寫入和擦除數(shù)據(jù)

將數(shù)據(jù)寫入NAND閃存單元涉及稱為Fowler-Nordheim隧道的過程。對(duì)控制柵極施加高壓，使電子穿過氧化層并進(jìn)入浮柵，將cell設(shè)置為“0”狀態(tài)。擦除數(shù)據(jù)涉及在相反方向上施加高壓，從而從浮柵中去除電子，使cell回到“1”狀態(tài)。

NAND閃存架構(gòu)

NAND Flash 的數(shù)據(jù)是以位（bit）的方式保存在存儲(chǔ)單元（memory cell）中，多個(gè)存儲(chǔ)單元以 8 個(gè)或 16

個(gè)為單位連成位線（bit line），形成字節(jié)（byte）或字（word），這就是 NAND 器件的位寬。

這些位線再組成頁（page），每頁包含一定數(shù)量的字節(jié)，通常還有一部分額外的空間用于存儲(chǔ)糾錯(cuò)碼等信息。多個(gè)頁又組成塊（block）。NAND Flash 以頁為單位進(jìn)行讀寫操作，以塊為單位進(jìn)行擦除操作。

NAND閃存單元組織在一個(gè)串聯(lián)的字符串中，稱為NAND字符串。多個(gè)NAND串形成一個(gè)塊，多個(gè)塊形成一個(gè)平面。NAND閃存芯片由一個(gè)或多個(gè)平面組成。這種分層結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高存儲(chǔ)密度和快速讀寫操作。

NAND閃存根據(jù)每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的位數(shù)可分為兩種主要類型：

• Single-Level Cell（SLC）

每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)，表示“0”或“1”。與 MLC 相比，SLC NAND 閃存提供更快的讀寫速度、更高的耐用性和更低的功耗。

• Multi-Level Cell（MLC）

每個(gè)存儲(chǔ)單元使用多個(gè)電壓電平存儲(chǔ)兩個(gè)或更多位數(shù)據(jù)。與 SLC 相比，MLC NAND 閃存可實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度和更低的每比特成本，但代價(jià)是讀取和寫入速度較慢，耐久性降低。

Nand Flash生產(chǎn)過程

Nand Flash是從原始的硅材料加工出來的，硅材料被加工成晶圓（Wafer），一片晶圓可以做出幾百顆Nand Flash芯片。芯片未封裝前的晶粒稱為Die，它是從Wafer上用激光切割而成的小片，每個(gè)Die就是一個(gè)獨(dú)立的功能芯片，它由無數(shù)個(gè)晶體管電路組成，但最終可被作為一個(gè)單元封裝起來成為閃存顆粒芯片，下面是Nand Flash芯片的詳細(xì)加工過程。

Nand Flash的物理結(jié)構(gòu)

Nand Flash的容量結(jié)構(gòu)從大到小可以分為Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。一個(gè)Device有若干個(gè)Die(或者LUN)，每個(gè)Die有若干個(gè)Plane，每個(gè)Plane有若干個(gè)Block，每個(gè)Block有若干個(gè)Page，每個(gè)Page對(duì)應(yīng)著一個(gè)WordLine。

Die/LUN是接收和執(zhí)行FLASH命令的基本單元。不同的LUN可以同時(shí)接收和執(zhí)行不同的命令。但在一個(gè)LUN當(dāng)中，一次只能執(zhí)行一個(gè)命令，不能對(duì)其中的某個(gè)Page寫的同時(shí)又對(duì)其他Page進(jìn)行讀訪問。下面詳細(xì)介紹下這些結(jié)構(gòu)單元和之間的聯(lián)系。Device就是指單片NAND Flash，對(duì)外提供Package封裝的芯片，通常包含1個(gè)或多個(gè)Target。

• Target擁有獨(dú)立片選的單元，可以單獨(dú)尋址，通常包含1或多個(gè)LUN；LUN也就是Die，能夠獨(dú)立封裝的最新物理單元，通常包含多個(gè)plane。
• Plane擁有獨(dú)立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K個(gè)奇數(shù)或偶數(shù)Block。
• Block是能夠執(zhí)行擦出操作的最小單元，通常由多個(gè)Page組成；Page是能夠執(zhí)行編程和讀操作的最小單元，通常是4KB/8KB/16KB/32KB等。
• Cell是Page中的最小操作擦寫讀單元，對(duì)應(yīng)一個(gè)浮柵晶體管，可以存儲(chǔ)1bit或多bit數(shù)據(jù)，主要為顆粒類型。

下圖是一個(gè)Flash Block的組織架構(gòu)，每個(gè)Cell的漏極對(duì)應(yīng)BL(Bitline)，柵極對(duì)應(yīng)WL(Wordline)，源極都連在一起。每個(gè)Page對(duì)應(yīng)著一個(gè)Wordline，通過Wordline加不同電壓和不同時(shí)間長度進(jìn)行各種操作。

一個(gè)WordLine對(duì)應(yīng)著一個(gè)或者若干個(gè)Page，對(duì)于SLC來說一個(gè)WordLine對(duì)應(yīng)著一個(gè)Page；對(duì)于MLC來說則對(duì)應(yīng)2個(gè)Page；Page的大小與WordLine上存儲(chǔ)單元（Cell）數(shù)量對(duì)應(yīng)。

下圖是一款存儲(chǔ)芯片的內(nèi)部布局

由圖可以看出一片Nand Flash為一個(gè)設(shè)備（device），其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分層為：

• 1、1個(gè)設(shè)備（device） = 1024個(gè)塊（blocks），塊是nand flash擦除操作的最小單位。
• 2、1個(gè)塊（block） = 64個(gè)頁（Page），頁就是Nand Flash寫入的最小單位，對(duì)于每一個(gè)頁，有數(shù)據(jù)塊區(qū)域和空閑區(qū)域。數(shù)據(jù)區(qū)，就是存儲(chǔ)一些數(shù)據(jù)，對(duì)于空閑區(qū)，一般也叫做OOB(out of band)，這個(gè)區(qū)域，是基于Nand flash的硬件特性設(shè)計(jì)的，nand flash在數(shù)據(jù)讀寫的時(shí)候很容易錯(cuò)誤，所以為了保證數(shù)據(jù)的正確性，必須要有對(duì)應(yīng)的檢測和糾錯(cuò)的機(jī)制，此機(jī)制就被叫做ECC，這個(gè)空閑區(qū)就是為了存放數(shù)據(jù)的校驗(yàn)值。
• 3、一個(gè)頁（Page） = 數(shù)據(jù)塊大?。?K） + OOB塊大小（64Bytes）

以此可以計(jì)算出如何訪問一個(gè)物理地址：塊大小x塊號(hào) + 頁大小x頁號(hào) + 頁內(nèi)地址

從硬件的圖來看，上面這款芯片，其容量是132MB，那么就需要28條地址線，而nand flash只有8個(gè)I/O引腳可以用作地址線，所以nand flash就引入了地址周期的概念。對(duì)于這款nand flash，需要4個(gè)周期：2個(gè)列地址（column）周期和2個(gè)行地址（ROW）周期。從下面的功能框圖來看，對(duì)于列地址A0 – A11，就是頁內(nèi)地址，地址范圍是0 – 4096。與頁內(nèi)地址（2K + 64）吻合，其實(shí)對(duì)與頁內(nèi)地址，其實(shí)只需要A0-A10，而對(duì)于多出來的A11，是用來表示頁內(nèi)的OOB區(qū)域。那么對(duì)于A12 - A27就是用來表示屬于哪一個(gè)塊和塊里面的哪一個(gè)頁號(hào)。

###### Nand flash的操作

上面這款芯片支持的命令格式

下圖是發(fā)送一個(gè)命令/地址/數(shù)據(jù)的完整過程

通過時(shí)序圖看出，上面有很多時(shí)間參數(shù)，在設(shè)置Nand flash控制器的時(shí)候，需要確認(rèn)這些時(shí)間參數(shù)是否在合適的范圍內(nèi)，對(duì)于控制命令都是通過上面的幾個(gè)基礎(chǔ)命令組合而來。 Flash的基本特性

Data Retention(數(shù)據(jù)保存力)是用于衡量寫入NAND Flash的數(shù)據(jù)能夠不失真保時(shí)間的可靠性指標(biāo)，一般定義為在一定的溫度條件下，數(shù)據(jù)在使用ECC糾錯(cuò)之后不失真保存在NAND Flash中的時(shí)間；影響Data Retention最大的兩個(gè)因素是擦寫次數(shù)和存儲(chǔ)溫度，通常情況下企業(yè)級(jí)SSD盤的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218標(biāo)準(zhǔn)，即40°C室溫下，100%的PE Cycle之后，在下電的情況下Data Retention時(shí)間要求達(dá)到3個(gè)月。

Nand Flash寫入前必須擦除，Block擦除1次之后再寫入1次稱為1次PE Cycle，Endurance(耐用性)用于衡量NAND Flash的擦寫壽命的可靠性指標(biāo)；Endurance指的是在一定的測試條件下NAND Flash能夠反復(fù)擦寫數(shù)據(jù)的能力，即對(duì)應(yīng)NAND Flash的PE（Program/Erase）Cycle。

Bit Error Rate（BER）指由于NAND Flash顆粒概率發(fā)生Bit位翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的錯(cuò)誤，其中，RBER(Raw Bit Error Rate)指沒有經(jīng)過ECC糾錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)Bit位發(fā)生錯(cuò)誤的幾率，RBER也是衡量NAND品質(zhì)的一項(xiàng)指標(biāo)。RBER是NAND自身品質(zhì)的一個(gè)特性，隨著PE次數(shù)的增加會(huì)變差，出現(xiàn)趨勢呈指數(shù)分布，其主要原因是擦寫造成了浮柵氧化層的磨損。

UBER（Uncorrectable Bit Error Rate）指發(fā)生不可糾正ECC錯(cuò)誤的幾率，即一個(gè)糾錯(cuò)單元Codeword內(nèi)發(fā)生bit位翻轉(zhuǎn)的位數(shù)超出ECC算法可糾能力范圍的幾率。

DWPD（Diskful Write Per Day）指每日寫入量。SSD的成本隨著DWPD增加而變高，未來SSD的趨勢預(yù)測密集型當(dāng)前已占50%，未來的占比會(huì)逐漸變大。

Nand Flash的壽命不等于SSD的壽命；SSD盤可以通過多種技術(shù)手段從整體上提升SSD的壽命，通過不同的技術(shù)手段，SSD盤的壽命可以比NAND Flash宣城壽命提高20%~2000%不等。

• Nand Flash的壽命主要通過P/E cycle來表征。SSD由多個(gè)Flash顆粒組成，通過盤片算法，可以發(fā)揮有效顆粒壽命。影響SSD盤使用壽命關(guān)鍵因素主要包括下面因素：每年寫入數(shù)據(jù)量，和客戶的業(yè)務(wù)場景有關(guān)；
• 單個(gè)Flash顆粒壽命，不同顆粒的P/E cycle不同
• 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)算法，更強(qiáng)糾錯(cuò)能力延長顆粒使用壽命
• 磨損均衡算法，避免擦寫不均衡導(dǎo)致擦寫次數(shù)超過顆粒壽命
• Over Provisioning占比，隨著OP（預(yù)留空間）的增加SSD磁盤的壽命會(huì)得到提高。

Flash的種類

Flash通常分為raw nand和spi nand

raw nand TSOP封裝物料實(shí)物圖

spi nand TSOP封裝

對(duì)于常見的Nand Flash所擁有的的引腳（Pin）對(duì)應(yīng)的功能如下：

• I/O0~I/O7：用于輸入地址/數(shù)據(jù)/命令，輸出數(shù)據(jù)
• CLE：Command Latch Enable，命令鎖存使能，在輸入命令之前，要先在模式寄存器中，設(shè)置CLE使能。
• ALE：Address Latch Enable，==地址鎖存使能，在輸入地址之前，要先在模式寄存器中，設(shè)置ALE使能。（地址鎖存是由于數(shù)據(jù)和地址是復(fù)用同一些信號(hào)線或引腳的，一般來講是由于工藝的要求，盡量節(jié)省成本和開支，那么在同一個(gè)引腳上就會(huì)出現(xiàn)兩種信息：地址和數(shù)據(jù)，可處理器讀的時(shí)候并不知道什么時(shí)候是地址，什么時(shí)候是數(shù)據(jù)，因此，需要一些專用的芯片把它們分開，用一些專用的信號(hào)聯(lián)絡(luò)線來區(qū)分這些信號(hào)，這就叫地址鎖存）
• CE#：Chip Enanle，芯片使能，在操作Nand Flash之前，要先選中此芯片，才能操作。
• RE#：Read Enable，讀使能，在讀取數(shù)據(jù)之前，要先使CE#有效。
• WE#：Write Enable，寫使能，在寫取數(shù)據(jù)之前，要先使WE#有效。
• WP#：Write Protect，寫保護(hù)。
• R/B#：Ready/Busy/Output，就緒/忙，主要用于在發(fā)送編程/擦除命令后，檢測這些操作是否完成，忙，表示編程/擦除操作仍在進(jìn)行中，就緒表示操作完成。
• Vcc：Power 電源
• Vss：Ground 接地
• N.C：Non-Connection，未定義，未連接。
• 【小常識(shí)】在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，對(duì)于一些引腳的定義，有些字母上面帶一橫杠，那是說明此引腳/信號(hào)是低電平有效。
• 【為何需要ALE和CLE】地址鎖存和數(shù)據(jù)鎖存命令的設(shè)計(jì)是為了方便控制器區(qū)分當(dāng)前I/O引腳輸入的是數(shù)據(jù)還是命令，因?yàn)镹and Flash只有8個(gè)I/O，而且是復(fù)用，可以傳數(shù)據(jù)也可以傳命令。因此設(shè)計(jì)ALE與CLE引腳使能控制器做相應(yīng)功能處理
• 【Nand Flash只有8個(gè)I/O引腳的好處】使用I/O復(fù)用可以減少芯片接口，也意味著使用此芯片的相關(guān)的外圍電路會(huì)更加簡化，避免繁瑣的硬件連線。使用統(tǒng)一的8個(gè)I/O引腳的Nand Flash使用統(tǒng)一的接口、同樣的時(shí)序、同樣的命令，不會(huì)因?yàn)樾酒拇笮〉母淖兓蚱渌兓绊?。這樣提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

Nand Flash的特殊硬件結(jié)構(gòu)

1、需要先擦除才能寫入。Nand Flash可以讀寫一個(gè)Page，但是必須要以Block大小進(jìn)行擦除。擦除操作就是讓塊中所有的bit變成1，從一個(gè)干凈的“已擦除”狀態(tài)的Block重新開始，當(dāng)里面的頁變成0后，只有擦除整個(gè)塊才能讓這個(gè)頁變成1.為了盡量減少擦除的次數(shù)，成熟的管理技術(shù)必不可少。

2、讀、寫干擾。Nand Flash的電荷非常不穩(wěn)定，在讀/寫中很容易對(duì)相鄰的單元造成干擾，干擾后會(huì)讓附近單元的電荷脫離實(shí)際的邏輯數(shù)值，造成bit出錯(cuò)，因?yàn)殚撝到咏年P(guān)系，MLC相對(duì)SLC來說更容易受到干擾。讀取干擾指的是在讀取某個(gè)page時(shí)，鄰近的bit會(huì)受到升高電壓的干擾，造成bit出錯(cuò)。寫入干擾指的是，某個(gè)page在寫入時(shí)，鄰近bit的電壓也被升高了，造成bit出錯(cuò)。相對(duì)寫入干擾來說，讀取干擾明顯小的多。在讀/寫干擾中，可能造成某些bit被改變，結(jié)果造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)。所以需要在返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)前，用ECC/EDC算法來糾正這些bit的錯(cuò)誤。隨著閃存工藝的提升，同樣大小的晶片上被封裝入更多的單元，造成告饒?jiān)絹碓絽柡?，所以需要更?qiáng)大的ECC/EDC來糾正bit。

3、數(shù)據(jù)保存期限。數(shù)據(jù)保存期指的是當(dāng)完全斷電后，數(shù)據(jù)能在NAND Flash中保存多久。NAND單元必須保存一個(gè)穩(wěn)定的電壓水平，來保證數(shù)據(jù)是有效的。典型的SLC一般為20年。電荷從懸浮門里漏出，這叫做電子遷移，當(dāng)隨著時(shí)間的流逝，電核泄漏到一定程度，改變了NAND單元里懸浮門的電壓對(duì)應(yīng)的邏輯值，這樣就造成了bit出錯(cuò)。數(shù)據(jù)保存期會(huì)隨著擦寫次數(shù)的增加而明顯降低，MLC的數(shù)據(jù)保存期明顯會(huì)比SLC少，而且更容易被 干擾。

4、壞塊。Nand Flash中有兩種壞塊類型：出廠壞塊，由于為了保證量產(chǎn)和控制成本，出廠的Nand Flash某些就會(huì)有壞塊，廠商保證SLC出廠壞塊低于2%，MLC出廠壞塊低于5%。積累壞塊，在多次的寫入/擦除循環(huán)中，某些Nand單元的電荷電壓被永久性的改變了，那就意味著包含這個(gè)Nand單元不再可用。所以固態(tài)硬盤需要有壞塊管理才能使用，主控制器用壞塊表來映射出廠壞塊和積累壞塊到壞塊區(qū)內(nèi)，出廠時(shí)，顆粒的第一個(gè)塊Block 0廠商會(huì)保證是可用的。（至少ECC后可用）

5、擦寫次數(shù)限制。造成nand flash有擦寫次數(shù)限制的主要有2個(gè)因素，電荷被困在氧化層，不能進(jìn)入懸浮門；或是氧化層結(jié)構(gòu)被破壞。

如圖，一旦氧化層損壞到達(dá)一定程度，造成電荷越來越難在P-substrate和懸浮門之間交流。電荷被困在氧化層造成懸浮門中的電壓到達(dá)不了閾值，所以說這個(gè)NAND單元就要被放入壞塊區(qū)了。當(dāng)前主流SLC的P/E為10萬次，50nm MLC為1萬次，3xnm的MLC為5000次。到了這個(gè)數(shù)值并不意味著不能使用了，這只是代表平均壽命，也就是說到了這個(gè)數(shù)值后，壞塊會(huì)開始大量增加。隨著工藝的提升，ECC的要求越來越高，50nm的SLC顆粒，三星對(duì)頂1bit ECC的就夠了，而50nm MLC需要4bit ECC，到了3xnm要求達(dá)到24bit ECC。

ECC

影響Nand Flash穩(wěn)定性和耐久度的一個(gè)主要因素就是ECC能力，目前最常用的三種算法是：

• Reed-Solomon
• Hamming
• BCH（Bose,Ray-Chauduri,Hocquenhem）
  不管是任何ECC算法，任何主控，檢測錯(cuò)誤的方式都是相同的：

不管是任何ECC算法，任何主控，檢測錯(cuò)誤的方式都是相同的：

• 1、每當(dāng)一個(gè)Page寫入Nand Flash，數(shù)據(jù)會(huì)通過ECC引擎，創(chuàng)造獨(dú)特的ECC簽名。
• 2、數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的ECC簽名都存放在Nand Flash里，數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)區(qū)，ECC簽名存放在SA區(qū)。
• 3、當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)和ECC簽名一起被送往主控制器，此時(shí)新的ECC簽名被生成。
• 4、此時(shí)主控把2個(gè)簽名對(duì)照，如果簽名相同，說明數(shù)據(jù)沒有錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)就會(huì)被送往主機(jī)。如果簽名不同，數(shù)據(jù)就會(huì)先放在主控里，而不是直接送往主機(jī)。

某些主控會(huì)把改正后的數(shù)據(jù)再次回寫閃存，另一些則不會(huì)，因?yàn)檎l也不知道下次讀取會(huì)不會(huì)再出錯(cuò)。ECC的能力直接關(guān)系到Nand Flash的耐久度，數(shù)據(jù)保存期。當(dāng)Nand Flash的P/E數(shù)到了之后，錯(cuò)誤數(shù)會(huì)越來越多，ECC弱的直接就報(bào)壞塊并標(biāo)記退休，如果ECC能力足夠強(qiáng)，就能夠挖掘出Flash的所有潛力。

閃存內(nèi)部原理

閃存的內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是金屬-氧化物-半導(dǎo)體-場效應(yīng)管（MOSFET）:源極、漏極和柵極，其工作原理與場效應(yīng)管類似，都是電壓利用控制源極和漏極之間的通斷。閃存是雙柵極結(jié)構(gòu)，在柵極和硅襯底之間還有一個(gè)浮置柵極，浮置柵極是有氮化物夾在二氧化硅材料之間構(gòu)成。

對(duì)閃存單元的編程：控制柵極去充電，對(duì)柵極加壓，使得浮置柵極存儲(chǔ)的電荷越多，超過閾值，就表示0；對(duì)閃存單元的擦除，即對(duì)浮置柵極進(jìn)行放電，低于閾值，就表示1。

NAND Flash發(fā)展歷程

• 誕生階段（20 世紀(jì) 80 年代）：

1987 年，時(shí)任日本東芝公司工程師岡本成之提出了 2D NAND 技術(shù)，這是 NAND Flash 的起源。當(dāng)時(shí)，東芝雖然占據(jù)了市場先機(jī)，但戰(zhàn)略重心偏向 DRAM 市場，一定程度上忽略了 NAND Flash 的發(fā)展?jié)摿ΑｋS后，英特爾和三星等公司也迅速加入該領(lǐng)域，推出了自己的 2D NAND 產(chǎn)品。在這一階段，NAND Flash 主要應(yīng)用于一些特定的電子設(shè)備，如數(shù)字電話答錄機(jī)等。

• 小型閃存卡興起階段（20 世紀(jì) 90 年代 - 21 世紀(jì)初）：

隨著數(shù)碼攝影的普及，一系列小型閃存卡應(yīng)運(yùn)而生，包括 PCMCIA（PC 卡）、CompactFlash、SmartMedia、MultiMediaCard（MMC）和 SecureDigital（SD）卡等，這些小型閃存卡的存儲(chǔ)介質(zhì)主要是 NAND Flash。這使得 NAND Flash 的應(yīng)用范圍得到了極大的擴(kuò)展，市場需求也開始快速增長。

• 市場擴(kuò)張階段（21 世紀(jì)初 - 2010 年代）：

隨著 NAND Flash 成本的不斷降低，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。從數(shù)碼相機(jī)擴(kuò)展到了 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而取代了軟盤和可寫 CD 等傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備。同時(shí)，音頻播放設(shè)備從傳統(tǒng)的磁帶和 CD 播放器轉(zhuǎn)變?yōu)?MP3 播放器，也推動(dòng)了 NAND Flash 的需求增長。在這一時(shí)期，NAND Flash 逐漸成為了主流的存儲(chǔ)技術(shù)之一，市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。

• 3D NAND 技術(shù)發(fā)展階段（2010 年代 - 至今）：

技術(shù)概念

提出 2007 年，東芝推出 BICS 類型的 3D NAND，標(biāo)志著 NAND Flash技術(shù)從二維平面堆疊向三維立體堆疊的轉(zhuǎn)變。這種技術(shù)通過在垂直方向上堆疊存儲(chǔ)單元，大大提高了存儲(chǔ)密度，為 NAND Flash的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的方向。

商業(yè)化量產(chǎn)

2013 年，三星推出第一代 V-NAND（三星自稱 3D NAND 為 V-NAND）閃存并投入量產(chǎn)，雖然該款堆疊層數(shù)僅為

24 層，但在當(dāng)時(shí)卻打破了平面技術(shù)的瓶頸，并使 3D NAND 從技術(shù)概念推向了商業(yè)市場。

層數(shù)不斷增加

從 2014 年開始，各大廠商紛紛推出更高層數(shù)的 3D NAND 產(chǎn)品。例如，三星陸續(xù)推出了 32 層、48 層、64層、96 層、128 層、176 層等不同層數(shù)的 V-NAND；SK 海力士按照 48 層、72 層 / 76 層、96 層、128 層、176 層、238 層的順序陸續(xù)推出閃存新產(chǎn)品；美光也在不斷提高其 3D NAND 的層數(shù)。

技術(shù)持續(xù)演進(jìn)

在 3D NAND 技術(shù)發(fā)展的過程中，廠商們還在不斷改進(jìn)和優(yōu)化技術(shù)，以提高存儲(chǔ)性能、降低成本。例如，長江存儲(chǔ)自研出了Xtacking 架構(gòu)，大幅度提高了存儲(chǔ)密度。