NAND Flash SSD和HDD的最大區(qū)別，其一是SSD通過Flash控制電路選通原理來讀/寫對應(yīng)地址數(shù)據(jù)，不必采用笨拙的機(jī)械磁頭定位數(shù)據(jù)外;其二是SSD在充電寫入數(shù)據(jù)前，必需要擦除原有的數(shù)據(jù)，每次充電和放電稱為一次P/E(編程/擦出)，一塊SSD的壽命和可以執(zhí)行P/E操作的次數(shù)強(qiáng)相關(guān)。每種Flash顆粒的P/E操作次數(shù)是不同的，P/E操作次數(shù)越多，對應(yīng)Flash顆粒的SSD壽命越長，可靠性越好，價(jià)格也越高。

NAND Flash顆粒分類

NAND Flash可根據(jù)Cell儲存bit數(shù)據(jù)位的不同分為SLC，MLC，TLC，其中MLC還分為eMLC，MLC和cMLC。由于不同類型顆粒結(jié)構(gòu)不同，所有導(dǎo)致了不同顆粒間數(shù)據(jù)儲存能力，性能和可靠性存在差異。

SLC(single level Cell) 是單層存儲單元，一個Cell中只存儲1bit數(shù)據(jù)(0/1)，在寫入數(shù)據(jù)后就高低2為電平，由于判定寫入數(shù)據(jù)值電壓的區(qū)間小，所以可擦寫次數(shù)和可靠性也是最好的，一般在5W-10W之間，但是存儲容量相對較少，成本也最高。

MLC(multi-level Cell) 多層式儲存單元，存儲密度較大，一個Cell中可以存儲2bit數(shù)據(jù)(00/01/10/11)，相比SLC，判定寫入Cell中電壓值區(qū)間比2bit數(shù)據(jù)就比較復(fù)雜了，由于NAND Flash的物理屬性(擦寫會對顆粒的絕緣層造成損壞)，也使得隨著擦寫次數(shù)增多，很難判斷出寫入的數(shù)據(jù)具體代表的bit位。其擦寫次數(shù)一般3K左右，另外，2bit數(shù)據(jù)讀寫使得MLC速度比SLC慢，但容量較大，價(jià)格比較便宜。

eMLC(enterprise MLC)和cMLC(consumer MLC)都是采用MLC技術(shù)，主要差別就是NAND Flash顆粒篩選參數(shù)，制作工藝和測試方法不同。通過不同標(biāo)準(zhǔn)來界定顆粒，eMLC是經(jīng)過嚴(yán)格測試和企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)篩選，所以可靠性和壽命最高;MLC次之;把挑選完eMLC/MLC之后顆粒成為 cMLC，可靠性和壽命都要稍差一些，但成本低，一般總在個人消費(fèi)和企業(yè)非關(guān)鍵應(yīng)用中。

TLC(Triple level Cell)三層式存儲單元，一個Cell中存放3bit數(shù)據(jù)(000-111)，數(shù)據(jù)密度更大，通過判定電壓確定寫入Cell數(shù)據(jù)的難度更大，所以SLC的擦寫次數(shù)(P/E)操作只有幾百次到上千次;可靠性和性能很低，具有成本優(yōu)勢，一般用在個人消費(fèi)產(chǎn)品中(不能滿足企業(yè)產(chǎn)品要求)。

SSD的可靠性問題

為了進(jìn)一步提高SSD磁盤的壽命，一方面，存儲(SSD/HDD)廠商還會在顆粒之上通過ECC(隨用戶數(shù)據(jù)生成一起寫入磁盤)糾錯技術(shù)糾正靜默錯誤。在數(shù)據(jù)寫入時采用ECC編碼寫入檢驗(yàn)位，當(dāng)數(shù)據(jù)由于位翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致靜默錯誤，讀取數(shù)據(jù)時可以利用ECC檢驗(yàn)位校正數(shù)據(jù)，并把正確數(shù)據(jù)返回主機(jī)。常用的ECC校正機(jī)制有8bit/512bit， 32bit/2KB，分別可以實(shí)現(xiàn)512bit中8bit數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和2KB中32bit數(shù)據(jù)錯誤的檢驗(yàn)，如果錯誤的bit位數(shù)超過8/32bit(稱為Uncorrectable bit error)，ECC是無法檢驗(yàn)恢復(fù)的，必須采用RIAD機(jī)制來恢復(fù)。

另一方面，SSD廠商采用Over-provisioning技術(shù)提高閃存壽命。SSD的寫入單位是Page， 擦除單位是Block，對某一塊Block擦寫達(dá)到一定次數(shù)就會導(dǎo)致Block失效(寫入的數(shù)據(jù)無法判定識別)作廢，所以SSD也提供了額外的容量(稱為 Over- provisioning)，以便替換壞塊提高整個SSD壽命，當(dāng)失效Block的容量超過Over-provisioning容量(MLC的Over-provisioning一般為SSD總?cè)萘康?8%，不同介質(zhì)和廠商有所不同)，使得整個SSD容量小于其宣稱容量時，該SSD就失效了。

顆粒的發(fā)展和未來

雖然NAND Flash目前處于絕對的王者地位，但是傳統(tǒng)的NAND Flash是一種線性串列的Mosfet存儲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)果限制其容量很難做大。一個可行的方式就是增加存儲密度，目前NAND Flash的存儲密度已經(jīng)可以做到微米、甚至到納米級別;但是隨著密度增高，存儲單元Cell的浮柵周圍產(chǎn)生電容耦合，存儲數(shù)據(jù)能力和可靠性極速降低。

所以，3D Flash技術(shù)的出現(xiàn)給閃存的發(fā)展指明了方向，3D-Flash技術(shù)主要有下面三個方向。

憶阻Memristor存儲技術(shù)

憶阻器本質(zhì)上是一種有記憶功能的非線性電阻，通過控制電流的變化可改變其阻值，如果把高阻值定義為“1”，低阻值定義為“0”，通過這種電阻變化實(shí)現(xiàn)存儲數(shù)據(jù)的功能。

美光/英特爾聯(lián)合推出3D XPoint憶阻器存儲技術(shù)，SanDisk/惠普也達(dá)成合作協(xié)議，此次合作以惠普憶阻器技術(shù)和SanDisk的非易失性存儲器技術(shù)創(chuàng)造一個新的企業(yè)級憶阻器存儲方案。憶阻器存儲在訪問速度上Flash存儲快1000倍。

3D XPoint是一種立體化的存儲技術(shù)，它看起來與同為3D設(shè)計(jì)的NAND技術(shù)相似，但本質(zhì)卻不同，3D XPoint并不單純是NAND，而是一種新的非易失性存儲技術(shù)。3D XPoint技術(shù)還允許存儲單元被堆疊到多個層中，這樣就可以有效提升存儲介質(zhì)的容量。

3D-水平NAND Flash堆疊技術(shù)

基本思路實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有的NAND浮柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆疊，獲得與普通 NAND 浮柵相同的橫向可擴(kuò)展性和存儲密度，另外采用氮化硅串接技術(shù)來代替浮柵的電荷捕獲閃存方法。

串聯(lián)存儲器的存取可通過在低級非存儲器中形成一個反型溝道來避免Cell的浮柵電容耦合。這種反型溝道及其相關(guān)耗盡區(qū)為存儲介質(zhì)中所捕獲的電荷提供了高水平電荷保護(hù)，免受應(yīng)用于這些底部存取器的傳輸電壓的干擾。

此外，這種雙柵結(jié)構(gòu)是公認(rèn)的良好橫向可微縮性方法，它通過使頂部和底部設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)密切的靜電相互作用來消除短通道效應(yīng)。

3D-垂直NAND Flash堆疊技術(shù)

三星電子推出獨(dú)家專利3D V-NAND閃存技術(shù)，提升了產(chǎn)品的容量、速度和可靠性。3D V-NAND不是使用新工藝來縮小Cell單元和提供存儲密度，而是選擇了堆疊更多層數(shù)。

傳統(tǒng)NAND Flash使用的是浮柵極Mosfet技術(shù)，充電/放電容易損壞柵極;三星采用控制柵極和絕緣層將Mosfet環(huán)形包裹起來提升了儲存電荷的的物理區(qū)域，從而提高性能和可靠性。

3D V-NAND技術(shù)把Cell3D化，使得在垂直方向無限堆疊擴(kuò)展，三星放棄了傳統(tǒng)的浮柵極Mosfet，降低了寫入時的電荷消耗，閃存壽命得到大幅提升，為未來SSD的發(fā)展開辟非常廣闊的空間。

SSD接口技術(shù)

我們知道閃存磁盤是在HDD以后出現(xiàn)的，由于SSD優(yōu)異的隨機(jī)性能、越來越大的容量和越來越低的成本等優(yōu)勢，使得閃存熱度上升、乃至替換HDD的趨勢。由于歷史繼承性等原因，SSD在設(shè)計(jì)是也是借鑒了部分HDD技術(shù)，包含接口技術(shù)，現(xiàn)在絕大多數(shù)SSD都是采用SATA/SAS接口。SATA接口和AHCI(基于SATA接口和ATA數(shù)據(jù)指令)已是存儲的性能瓶頸凸顯，SCSI/SAS/FC接口(SCSI數(shù)據(jù)指令)組合在閃存中也是昨日黃花， NVMe指令和PCIe的組合將是未來趨勢。