Monday, September 23, 2019

Flash芯片總述及SLC、MLC、TLC和QLC的區別

NOR Flash 和 NAND Flash是現在市場上兩種主要的非易失閃存技術。Intel於1988年首先開發出NOR Flash 技術,徹底改變了原先由EPROM(Electrically Programmable Read-Only-Memory電可編程序只讀存儲器)和EEPROM(電可擦只讀存儲器Electrically Erasable Programmable Read – Only Memory)一統天下的局面。緊接着,1989年,東芝公司發表了NAND Flash 結構,強調降低每比特的成本,有更高的性能,並且像磁盤一樣可以通過接口輕鬆升級。NOR Flash 的特點是芯片內執行(XIP ,eXecute In Place),這樣應用程序可以直接在Flash閃存內運行,不必再把代碼讀到系統RAM中。NOR 的傳輸效率很高,在1~4MB的小容量時具有很高的成本效益,但是很低的寫入和擦除速度大大影響到它的性能。NAND的結構能提供極高的單元密度,可以達到高存儲密度,並且寫入和擦除的速度也很快。應用NAND的困難在於Flash的管理和需要特殊的系統接口。通常讀取NOR的速度比NAND稍快一些,而NAND的寫入速度比NOR快很多,在設計中應該考慮這些情況。

NAND Flash根據存儲原理分為三種,SLC、MLC、TLC。

什麼是SLC?SLC英文全稱(Single Level Cell——SLC)即單層式儲存 。主要由三星、海力士、美光、東芝等使用。
SLC技術特點是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄,在寫入數據時通過對浮置閘極的電荷加電壓,然後透過源極,即可將所儲存的電荷消除,通過這樣的方式,便可儲存1個信息單元,這種技術能提供快速的程序編程與讀取,不過此技術受限於Silicon efficiency的問題,必須要由較先進的流程強化技術(Process enhancements),才能向上提升SLC製程技術。

什麼是MLC?MLC英文全稱(Multi Level Cell——MLC)即多層式儲存。主要由東芝、Renesas、三星使用。
MLC是英特爾(Intel)在1997年9月最先研發成功的,其原理是將兩個位的信息存入一個浮動柵(Floating Gate,閃存存儲單元中存放電荷的部分),然後利用不同電位(Level)的電荷,透過內存儲存格的電壓控制精準讀寫。MLC通過使用大量的電壓等級,每個單元儲存兩位數據,數據密度比較大。SLC架構是0和1兩個值,而MLC架構可以一次儲存4個以上的值,因此,MLC架構可以有比較好的儲存密度。講白話點就是一個Cell存放多個bit,現在常見的MLC架構閃存每Cell可存放2bit,容量是同等SLC架構芯片的2倍,目前三星、東芝、海力士(Hynix)、IMFT(英特爾與美光合資公司)、瑞薩(Renesas)都是此技術的使用者,而且這個隊伍還在不斷壯大,其發展速度遠快於曾經的SLC架構。

與SLC比較MLC的優勢:鑒於目前市場主要以SLC和MLC儲存為主,我們多了解下SLC和MLC儲存。SLC架構是0和1兩個值,而MLC架構可以一次儲存4個以上的值,因此MLC架構的儲存密度較高,並且可以利用老舊的生產程備來提高產品的容量,無須額外投資生產設備,擁有成本與良率的優勢。與SLC相比較,MLC生產成本較低,容量大。如果經過改進,MLC的讀寫性能應該還可以進一步提升。與SLC比較MLC的缺點:MLC架構有許多缺點,首先是使用壽命較短,SLC架構可以寫入10萬次,而MLC架構只能承受約1萬次的寫入。其次就是存取速度慢,在目前技術條件下,MLC芯片理論速度只能達到6MB左右。SLC架構比MLC架構要快速三倍以上。再者,MLC能耗比SLC高,在相同使用條件下比SLC要多15%左右的電流消耗。雖然與SLC相比,MLC缺點很多,但在單顆芯片容量方面,目前MLC還是佔了絕對的優勢。由於MLC架構和成本都具有絕對優勢,能滿足2GB、4GB、8GB甚至更大容量的市場需求。

什麼是TLC? TLC = Triple-Level Cell,即3 bit per cell架構。TLC芯片技術是SLC和MLC技術的延伸,最早期NAND Flash技術架構是SLC(Single-Level Cell),原理是在1個存儲器儲存單元(cell)中存放1位元(bit)的資料,直到MLC(Multi-Level Cell)技術接棒後,架構演進為1個存儲器儲存單元存放2位元。 2009年TLC架構正式問世,代表1個存儲器儲存單元可存放3位元,成本進一步大幅降低。如同上一波SLC技術轉MLC技術趨勢般,這次也是由NAND Flash大廠東芝(Toshiba)引發戰火,之後三星電子(Samsung Electronics)也趕緊加入戰局,使得整個TLC技術大量被量產且應用在終端產品上。TLC芯片雖然儲存容量變大,成本低廉許多,但因為效能也大打折扣,因此僅能用在低階的NAND Flash相關產品上,象是低速快閃記憶卡、小型記憶卡microSD或隨身碟等。智能型手機(Smartphone)、固態硬碟(SSD)等技術門檻高,對於NAND Flash效能講求高速且不出錯等應用產品,則一定要使用SLC或MLC芯片。

根據NAND的物理結構,NAND是通過絕緣層存儲數據的。當你要寫入數據,需要施加電壓並形成一個電場,這樣電子就可以通過絕緣體進入到存儲單元,此時完成寫入數據。如果要刪除存儲單元(數據),則要再次施加電壓讓電子穿過絕緣層,從而離開存儲單元。所以,NAND閃存在重新寫入新數據之前必須要刪除原來數據。

由於數據寫入到TLC中需要八種不同電壓狀態, 而施加不同的電壓狀態、尤其是相對較高的電壓,需要更長的時間才能得以實現(電壓不斷增高的過程,直到合適的電壓值被發現才算完成)。

所以,在TLC中數據所需訪問時間更長,因此傳輸速度更慢。經過實測,同等技術條件下,TLC的SSD性能是比不上MLC SSD的。

什麼是QLC? QLC = Quad-Level Cell架構,即4bit/cell,支持16充電值,速度最慢壽命最短,目前中技術上在研發階段,但是intel、三星電子等廠商都已經取得了不錯的進展。但在SSD應用中目前仍不現實 。

需要說明的閃存的壽命指的是寫入(擦寫)的次數,不是讀出的次數,因為讀取對芯片的壽命影響不大。下面是SLC、MLC、TLC、QLC閃存芯片的區別:

SLC = Single-Level Cell,即1bit/cell,利用正、負兩種電荷,一個浮動柵存儲1個bit的信息,約10萬次擦寫壽命。速度快,壽命長,價格貴(約MLC 3倍以上的價格)。
MLC = Multi-Level Cell,即2bit/cell,利用不同電位的電荷,一個浮動柵存儲2個bit的信息,約5000-10000次擦寫壽命。速度一般,壽命一般,價格一般。
TLC = Trinary-Level Cell,即3bit/cell,利用不同電位的電荷,一個浮動柵存儲3個bit的信息,約500-1000次擦寫壽命。也有Flash廠家叫8LC,速度慢,壽命短,價格便宜。
QLC = Quad-Level Cell,即4bit/cell。

相對於SLC來說,MLC的容量大了100%,壽命縮短為SLC的1/10。相對於MLC來說,TLC的容量大了50%,壽命縮短為MLC的1/20。

NAND閃存技術:2D NAND和3D NAND

在上文中,我們介紹了根據閃存顆粒內部電子數的不同,會分為SLC/MLC/TLC,而隨着晶圓物理極限的不斷迫近,固態硬盤上單體的存儲單元內部的能夠裝載的閃存顆粒已經接近極限了,更加專業的術語表述就是單die能夠裝載的顆粒數已經到達極限了,要想進一步擴大單die的可用容量,就必須在技術上進行創新。

於是,3D NAND技術也就應運而生了。在解釋3D NAND之前,我們先得弄清楚2D NAND是什麼,以及“2D”和“3D”的真實含義。

首先是2D NAND,我們知道在數學和物理領域,2D/3D都是指的方向,都是指的坐標軸,“2D”指的是平面上的長和寬,而“3D”則是在“2D”基礎上,添加了一個垂直方向的“高”的概念。

由此,2D NAND真實的含義其實就是一種顆粒在單die內部的排列方式,是按照傳統二維平面模式進行排列閃存顆粒的。

相對應的,3D NAND則是在二維平面基礎上,在垂直方向也進行顆粒的排列,即將原本平面的堆疊方式,進行了創新。

利用新的技術(即3D NAND技術)使得顆粒能夠進行立體式的堆疊,從而解決了由於晶圓物理極限而無法進一步擴大單die可用容量的限制,在同樣體積大小的情況下,極大的提升了閃存顆粒單die的容量體積,進一步推動了存儲顆粒總體容量的飆升。

同時,在業界,根據在垂直方向堆疊的顆粒層數不同,和選用的顆粒種類不同,3D NAND顆粒又可以分為32層、48層甚至64層 3D TLC/MLC顆粒的不同產品,這取決於各大原廠廠商的技術儲備和實際選用的顆粒種類。

我們可以打個比方,來理解2D NAND和3D NAND技藝之間的區別和聯繫。

2D NAND就如同在一塊有限的平面上建立的數間平房,這些平房整齊排列,但是隨着需求量的不斷增加,平房的數量不斷井噴,可最終這塊面積有限的平面只能容納一定數量的平房而無法繼續增加;
3D NAND則就如同在同一塊平面上蓋起的樓房,在同樣的平面中,樓房的容積率卻遠遠高於平房,因而它能提供更多的空間,也就是提供了更大的存儲空間,而32層、48層以及64層,則就是這些樓房的高度,一共堆疊了多少層。

雖然,3D NAND技術能夠在同等體積下,提供更多的存儲空間,但是這項堆疊技術對於原廠製造商來說有着相當的操作難度,需要原廠有着相當的技術積累,因而目前能夠掌握3D NAND技術的原廠公司十分少見,只有三星、美光等少數公司的3D NAND顆粒實現了量產和問世。

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