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科普:现行储存界的王者 NAND Flash

2016-03-28
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 NAND Flash,做为现行固态硬盘以及手机储存空间的主流技术,它有高速传输以及抗震的优点,使其成为现行移动设备的市场占有者。然而,它究竟是怎么运作的?市场上常听到的 SLC、MLC 又是什么东西?以下将一一说明。

便于管理,NAND Flash 分区!

一片 Flash 的内部会被区分成很多块(block),每一块再细分成许多页(page)。我们可以将一片 Flash比拟成一个书柜,书柜内部有很多本笔记本(block),每本笔记本里都有相同样数量的页面(page),有些页面有资料,有些是空白的,就像是我们手机或笔电的储存空间一样,有些地方有资料,有些地方是空的。


当我们要在书柜中找资料时,因为笔记本已经分门别类地放在架上,而且我们有张小抄记得要找的资料在哪一页。因此,我们可迅速的找出该本笔记本,直接翻到该页查看资料。当要修改笔记本内部的资料时,则会找一空白的页面,将修改后的资料写在此页上,把原本那一页涂黑,并记下新的资料在那边。

在 Flash 内部,有个专门的元件负责管理资料的存放,而 flash 的结构就像是书柜一样。因此,我们可以轻易地如上所述那样寻找资料以及撰写资料。

因为修改资料是直接涂黑而非擦掉,因此,当其中一本笔记本差不多被涂黑之后,就只能将有用的资料抄至别处,直接换一本新的笔记本。Flash则是当其中一块里面的页面都差不多不能再写资料的时候,将有用的资料存到另一块中,将不能读写的那一块重新充电,让该块变得像新的一样。

速看元件结构,揭开 NAND Flash 的面纱

一个 NAND Flash 单元的结构如下图。和 MOSFET 相比,它多了浮闸(Floating Gate),NAND Flash 便是藉由这个元件储存资料。

▲ 此为 Flash 的结构,除了 Floating Gate 的部分外,剩下的构造皆和 MOSFET 类似。

▲ 将 Flash 的单元以 NAND 逻辑闸的方式排列,便成为 NAND Flash。

当要将电子存放进浮闸时,便是调整控制闸(Word Line Control Gate)的电压,让部分电子以量子穿隧效应跃进浮闸。当电子充满浮闸时,它便代表 0,当浮闸内部没有电子时,则代表着 1。一旦要写资料进入memroy 中,则将部分元件的电子导出浮闸。这样便可形成 0 和 1 相间的排列方式,满足储存资料的目标。

如果将多个 Flash 单元,以 NAND逻辑闸的排列方式排列,如右上图。这类的 Flash 便被称为 NAND Flash。采用这个排列方式的 Flash 所具备的优点是可以减少 Source Line 和 Bit Line的数量,在寸土寸金的晶圆上,容纳更多的储存元件。缺点则是读资料时,一次只能读取一个元件,不能整条一起读,以及欲充电时,必须将整条 NAND Flash 单元一起充电。

当我们将多条 NAND Flash 单元摆放在一起,如下图。便会形成一片 Flash。Page、Block 在硬件中大致是依此方法分配。

▲ 2D NAND Flash 实际制作出来的电路简图,由图中可以明显得知 Block 是将多个 Page 组合起来而成。

在既存结构下塞入更多资料,MLC

上面介绍的 NAND Flash 被归类在 SLC(Single Level Cell)中,SLC 是指在一个 NAND Flash单元中,只储存一单位的资料,也就是 0 或 1。然而,制程演进的速度跟不上使用者对大容量 Flash memory 的需求。

因此,制造商便想到可以在单一 Flash 单元中,依据电子存放的多寡来分成4个等级。每一个等级代表一种资讯排列,分别为00、01、10、11。如此,便可在既有的技术下,提供两倍的储存容量。采用这种技术的 NAND Flash便被称为MLC(Multi-Level Cell)。

然而,因为 MLC 是将原本元件再多分2级,导致在电子数量的判断上,将更加严格,让 MLC 对错误的容忍度比 SLC低,寿命也较短。至于现在逐渐在市场出现的 TLC(Triple-Level Cell),则是在一个 Flash 单元中分成 8 个等级,分别为000、001、010、011、100、101、110、111。可想而知,TLC 的寿命必定小于 MLC。

 

NAND Flash 的寿命,读写次数上限

NAND Flash 会有寿命是因为在写资料的时候,需要施加较高的电压,将电子强行跃过绝缘体,以进入浮闸,或离开浮闸。每次执行这个步骤时,都会对绝缘体层造成伤害。渐渐的,绝缘体层将失去隔绝电子的能力,使浮闸无法再保存资料。

此外,大多数的使用者会频繁的使用部分程序,电脑在读写资料的时候将无法平均的读写整片内存,而是频繁的使用特定几块(block)。为了避免特定几块被迅速的使用而导致内存容量下降,制造商会再加上控制器,以变换定址的方式,平衡每一块的使用次数,让 NAND Flash 有更长的寿命。

因为有控制器在监控内存的使用情形,目前已经不需要太担心 NAND Flash 的寿命,只要硬盘不要装满资料,留有部分的空间做平衡读写,基本上再换新电脑前,硬盘都不会有坏掉的问题。

在考虑传输速度以及单位储存空间的价钱。现在以 NAND Flash 为核心的 SSD 逐渐成为主流,开始侵蚀传统硬盘的市场,称 NAND Flash 为现行储存界的王者,相当合适。(technews)

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