全面解析閃存技術(shù)大餐 架構(gòu)/顆粒/接口/可靠性
NAND Flash SSD和HDD的最大區(qū)別,其一是SSD通過(guò)Flash控制電路選通原理來(lái)讀/寫對(duì)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(duì)應(yīng)Flash顆粒的SSD壽命越長(zhǎng),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(chǔ)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(chǔ)存能力,性能和可靠性存在差異。
SLC(single level Cell) 是單層存儲(chǔ)單元,一個(gè)Cell中只存儲(chǔ)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(chǔ)容量相對(duì)較少,成本也最高。
MLC(multi-level Cell) 多層式儲(chǔ)存單元,存儲(chǔ)密度較大,一個(gè)Cell中可以存儲(chǔ)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(huì)對(duì)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(cè)試方法不同。通過(guò)不同標(biāo)準(zhǔn)來(lái)界定顆粒,eMLC是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試和企業(yè)級(jí)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(gè)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(chǔ)單元,一個(gè)Cell中存放3bit數(shù)據(jù)(000-111),數(shù)據(jù)密度更大,通過(guò)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(shì),一般用在個(gè)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(chǔ)(SSD/HDD)廠商還會(huì)在顆粒之上通過(guò)ECC(隨用戶數(shù)據(jù)生成一起寫入磁盤)糾錯(cuò)技術(shù)糾正靜默錯(cuò)誤。在數(shù)據(jù)寫入時(shí)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(cuò)誤,讀取數(shù)據(jù)時(shí)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(cuò)誤的檢驗(yàn),如果錯(cuò)誤的bit位數(shù)超過(guò)8/32bit(稱為Uncorrectable bit error),ECC是無(wú)法檢驗(yàn)恢復(fù)的,必須采用RIAD機(jī)制來(lái)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(duì)某一塊Block擦寫達(dá)到一定次數(shù)就會(huì)導(dǎo)致Block失效(寫入的數(shù)據(jù)無(wú)法判定識(shí)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(gè)SSD壽命,當(dāng)失效Block的容量超過(guò)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(gè)SSD容量小于其宣稱容量時(shí),該SSD就失效了。
顆粒的發(fā)展和未來(lái)
雖然NAND Flash目前處于絕對(duì)的王者地位,但是傳統(tǒng)的NAND Flash是一種線性串列的Mosfet存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),這種結(jié)果限制其容量很難做大。一個(gè)可行的方式就是增加存儲(chǔ)密度,目前NAND Flash的存儲(chǔ)密度已經(jīng)可以做到微米、甚至到納米級(jí)別;但是隨著密度增高,存儲(chǔ)單元Cell的浮柵周圍產(chǎn)生電容耦合,存儲(chǔ)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(gè)方向。
憶阻Memristor存儲(chǔ)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(guò)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(guò)這種電阻變化實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能。
美光/英特爾聯(lián)合推出3D XPoint憶阻器存儲(chǔ)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(chǔ)器技術(shù)創(chuàng)造一個(gè)新的企業(yè)級(jí)憶阻器存儲(chǔ)方案。憶阻器存儲(chǔ)在訪問速度上Flash存儲(chǔ)快1000倍。
3D XPoint是一種立體化的存儲(chǔ)技術(shù),它看起來(lái)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(chǔ)技術(shù)。3D XPoint技術(shù)還允許存儲(chǔ)單元被堆疊到多個(gè)層中,這樣就可以有效提升存儲(chǔ)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(duì)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(chǔ)密度,另外采用氮化硅串接技術(shù)來(lái)代替浮柵的電荷捕獲閃存方法。
串聯(lián)存儲(chǔ)器的存取可通過(guò)在低級(jí)非存儲(chǔ)器中形成一個(gè)反型溝道來(lái)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(chǔ)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(guò)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(lái)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(lái)縮小Cell單元和提供存儲(chǔ)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(lái)提升了儲(chǔ)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(wú)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(shí)的電荷消耗,閃存壽命得到大幅提升,為未來(lái)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(lái)越大的容量和越來(lái)越低的成本等優(yōu)勢(shì),使得閃存熱度上升、乃至替換HDD的趨勢(shì)。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(chǔ)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(lái)趨勢(shì)。
評(píng)論