解析NAND闪存系统的特性平衡

在设计使用NAND闪存的系统时，选择适当的特性平衡非常重要。 闪存控制器还必须足够灵活，以进行适当的权衡。 选择正确的闪存控制器对于确保闪存满足产品要求至关重要。NAND闪存是一种大众化的非易失性存储器，主要是因为小型，低功耗且坚固耐用。 尽管此技术适合现代存储，但在将其列入较大系统的一部分时，需要考虑许多重要特性。 这些特性适用于所有类型的存储，包括耐用性，密度，性能，每千兆字节价格，错误概率和数据保留。

闪存概述

闪存单元由修改的场效应晶体管（FET）组成，在控制栅极和通道之间的绝缘层中具有额外的“浮置”栅极。 通过施加高压将电荷注入到浮栅上（或从浮栅上去除）。 这会改变打开晶体管所需的栅极电压，该电压代表存储在单元中的值。 这些单元的阵列构成一个块，整个存储器由多个块组成。

由于浮栅完全被绝缘层包围，因此即使断电，也会保留存储的数据。

NAND闪存单元图（在Hyperstone Youtube频道上有详细说明）

闪存阵列的简化图。 黄色框突出显示die，浅灰色为plane，深蓝色为块，浅蓝色框则为page。 该图仅用于可视化层次结构，而不能按比例绘制。 （Hyperstone Youtube频道有更加详细说明）

NAND闪存的关键挑战是管理使用可用页面写入数据的方式。 在将新数据写入页面之前，必须先擦除该页面。 但是，只能擦除包含许多页面而不是单个页面的整个块。 此过程很复杂，由单独的设备（称为闪存控制器）进行管理。 控制器需要做大量工作才能最有效地利用闪存：管理数据的存储位置和块的重复使用方式。

闪存编程和耐久性

每次对单元进行编程和擦除时，浮栅下的绝缘层都会受到轻微损坏，从而影响存储单元的可靠性。 每个单元具备有限的保证编程擦除周期数量，这被称为持久性。 这种耐久性可有效测定存储器的寿命。 凭借闪存控制器，可以通过仔细管理块的使用方式，达到最大限度化提高有限的耐用性，以确保它们均被平等地使用。 这是由闪存应用的一种技术，称为损耗平衡。尽可能减少开销量也很重要，从而达到写入放大。

内存的寿命也可以通过预留空间来延长，这会减少用户可见的内存并增加备用内存。 额外的容量在应用损耗均衡时提供更多灵活性，因为冗余容许有些块无法用超出容量的块来取代。 但是，由于增加冗余块会降低有效存储容量，因此反过来会增加每位的有效成本。

增加存储密度

选择存储技术时，考虑的主因之一是管理每GB的成本。 硅芯片的制造成本几乎完全取决于面积，而不是功能。 因此，可以通过提供特定容量所需的面积来降低每GB闪存的成本。最可行的办法是通过转往更小的制造工艺来减小存储单元的尺寸。 但是，闪存的物理性质限制了这种缩放比例，因此闪存供应商已转向其他方法来提高密度。

第一步是在每个存储单元中存储两位而不是一个位。 这就是所谓的多级单元（MLC）闪存。 从那时起，已经制造出在三级单元（TLC）中存储三位并且在四级单元（QLC）中存储四位的闪存。 内存的原始类型现在称为单级单元（SLC）。

权衡利弊

以下特性在SLC，MLC，TLC和QLC NAND闪存之间有所不同。

耐力：单个单元在变得不可靠之前可以写入的P / E周期数。 由于存储多个位的单元使用与存储单个位的单元相同的生产过程来制造，因此读取余量较小。 这使得读取真实电压电平更加困难，从而导致较高的读取错误率。

密度：随着每个单元中存储更多位，总体位密度相应增加。 由于MLC，TLC和QLC存储器通常是在功能更小，功能更现代的工艺上制造的，因此可以进一步提高这一点。

性能：随着单元中存储的级别越来越多，编程复杂性也随之增加。 同样，在读取时，可能需要对输出进行多次采样才能获得正确的数据。 SLC存储器具有最简单的编程过程，电压水平相距较远，因此更容易区分它们。 因此， SLC通常比MLC具有更快的读写性能。

每GB的价格：由于QLC闪存的密度最高，因此每GB的价格最低。 增加密度所带来的收益可能会因为需要更高级别的超额配置来弥补耐久力降低而略有抵消。

错误概率：如果将多个位存储在一个单元中，则读取存储值时出错的可能性更大。 这增加了存储器的原始错误率。 这可以通过更复杂的纠错方法来补偿，因此不必直接转换为系统看到的错误。

数据保留：闪存在不通电时能够随着时间的推移保持存储数据完整性的能力。 每次写入闪存单元时（一个P/E周期），该单元的氧化层都会稍微退化，并且该单元保留数据的能力会降低。

下表总结这些大概要意。

NAND闪存被用来作为包括SSD，USB驱动器和SD卡等许多类型的存储产品的主要部分。 为了满足客户在价格，性能和可靠性方面的期望，上述每个特性之间都要进行权衡。

该选择还可以取决于存储单元正在与之通信的应用程序或主机。 例如，应用程序的存取模式各不相同：有些可能会进行大量随机读写，有些可能会更多地依赖大型顺序写入，例如 视频录制。 还有诸如温度之类的外部因素，它们可以改变存储单元的行为。 闪存控制器在管理内存中的数据时需要能够考虑这些所有因素。 Hyperstone闪存控制器中的固件可以针对特定用例进行微调。

在设计使用NAND闪存的系统时，选择适当的特性平衡非常重要。 闪存控制器还必须足够灵活，以进行适当的权衡。 选择正确的闪存控制器对于确保闪存满足产品要求至关重要。
编辑：hfy