NAND閃存是一種大眾化的非易失性存儲器，主要是因為小型，低功耗且堅固耐用。 盡管此技術(shù)適合現(xiàn)代存儲，但在將其列入較大系統(tǒng)的一部分時，需要考慮許多重要特性。 這些特性適用于所有類型的存儲，包括耐用性，密度，性能，每千兆字節(jié)價格，錯誤概率和數(shù)據(jù)保留。

閃存概述

閃存單元由修改的場效應(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。 通過施加高壓將電荷注入到浮柵上（或從浮柵上去除）。 這會改變打開晶體管所需的柵極電壓，該電壓代表存儲在單元中的值。 這些單元的陣列構(gòu)成一個塊，整個存儲器由多個塊組成。

由于浮柵完全被絕緣層包圍，因此即使斷電，也會保留存儲的數(shù)據(jù)。

NAND閃存單元圖（在Hyperstone Youtube頻道上有詳細(xì)說明）

閃存陣列的簡化圖。 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)說明）

NAND閃存的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是管理使用可用頁面寫入數(shù)據(jù)的方式。 在將新數(shù)據(jù)寫入頁面之前，必須先擦除該頁面。 但是，只能擦除包含許多頁面而不是單個頁面的整個塊。 此過程很復(fù)雜，由單獨的設(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)的存儲位置和塊的重復(fù)使用方式。

閃存編程和耐久性

每次對單元進(jìn)行編程和擦除時，浮柵下的絕緣層都會受到輕微損壞，從而影響存儲單元的可靠性。 每個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定存儲器的壽命。 憑借閃存控制器，可以通過仔細(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預(yù)留空間來延長，這會減少用戶可見的內(nèi)存并增加備用內(nèi)存。 額外的容量在應(yīng)用損耗均衡時提供更多靈活性，因為冗余容許有些塊無法用超出容量的塊來取代。 但是，由于增加冗余塊會降低有效存儲容量，因此反過來會增加每位的有效成本。

增加存儲密度

選擇存儲技術(shù)時，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，可以通過提供特定容量所需的面積來降低每GB閃存的成本。最可行的辦法是通過轉(zhuǎn)往更小的制造工藝來減小存儲單元的尺寸。 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)向其他方法來提高密度。

第一步是在每個存儲單元中存儲兩位而不是一個位。 這就是所謂的多級單元（MLC）閃存。 從那時起，已經(jīng)制造出在三級單元（TLC）中存儲三位并且在四級單元（QLC）中存儲四位的閃存。 內(nèi)存的原始類型現(xiàn)在稱為單級單元（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：單個單元在變得不可靠之前可以寫入的P / E周期數(shù)。 由于存儲多個位的單元使用與存儲單個位的單元相同的生產(chǎn)過程來制造，因此讀取余量較小。 這使得讀取真實電壓電平更加困難，從而導(dǎo)致較高的讀取錯誤率。

密度：隨著每個單元中存儲更多位，總體位密度相應(yīng)增加。 由于MLC，TLC和QLC存儲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。

性能：隨著單元中存儲的級別越來越多，編程復(fù)雜性也隨之增加。 同樣，在讀取時，可能需要對輸出進(jìn)行多次采樣才能獲得正確的數(shù)據(jù)。 SLC存儲器具有最簡單的編程過程，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的價格：由于QLC閃存的密度最高，因此每GB的價格最低。 增加密度所帶來的收益可能會因為需要更高級別的超額配置來彌補(bǔ)耐久力降低而略有抵消。

錯誤概率：如果將多個位存儲在一個單元中，則讀取存儲值時出錯的可能性更大。 這增加了存儲器的原始錯誤率。 這可以通過更復(fù)雜的糾錯方法來補(bǔ)償，因此不必直接轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)看到的錯誤。

數(shù)據(jù)保留：閃存在不通電時能夠隨著時間的推移保持存儲數(shù)據(jù)完整性的能力。 每次寫入閃存單元時（一個P/E周期），該單元的氧化層都會稍微退化，并且該單元保留數(shù)據(jù)的能力會降低。

下表總結(jié)這些大概要意。

NAND閃存被用來作為包括SSD，USB驅(qū)動器和SD卡等許多類型的存儲產(chǎn)品的主要部分。 為了滿足客戶在價格，性能和可靠性方面的期望，上述每個特性之間都要進(jìn)行權(quán)衡。

該選擇還可以取決于存儲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：有些可能會進(jìn)行大量隨機(jī)讀寫，有些可能會更多地依賴大型順序?qū)懭?，例?視頻錄制。 還有諸如溫度之類的外部因素，它們可以改變存儲單元的行為。 閃存控制器在管理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時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特定用例進(jìn)行微調(diào)。

在設(shè)計使用NAND閃存的系統(tǒng)時，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于確保閃存滿足產(chǎn)品要求至關(guān)重要。

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