NAND FLASH 物理结构分析

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NAND Flash是一种非易失性随机访问存储介质，基于浮栅(Floating Gate)晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，电荷被储存在浮栅中，它们在无电源供应的情况下仍然可以保持。关于NAND Flash技术基本原理之前有过讲解，大家可以参考文章闪存技术最全面解析。今天主要讨论下NAND Flash生产过程、架构和关键指标。

NAND Flash是从原始的硅材料加工出来的，硅材料被加工成晶圆(Wafer)，一片晶圆上可以做出几百颗NAND FLASH芯片。芯片未封装前的晶粒成为Die，它是从Wafer上用激光切割而成的小片，每个Die就是一个独立的功能芯片，它由无数个晶体管电路组成，但最终可被作为一个单位封装起来成为闪存颗粒芯片。下面是NAND Flash芯片的详细加工过程。

NAND Flash的容量结构从大到小可以分为Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。一个Device有若干个Die(或者叫LUN)，每个Die有若干个Plane，每个Plane有若干个Block，每个Block有若干个Page，每个Page对应着一个Wordline。

Die/LUN是接收和执行FLASH命令的基本单元。不同的LUN可以同时接收和执行不同的命令。但在一个LUN当中，一次只能执行一个命令，不能对其中的某个Page写的同时又对其他Page进行读访问。下面详解介绍下这些结构单元和之间的联系。

• Device就是指单片NAND Flash，对外提供Package封装的芯片，通常包含1个或多个Target；

• Target拥有独立片选的单元，可以单独寻址，通常包含1或多个LUN；LUN也就是Die，能够独立封装的最新物理单元，通常包含多个plane。

• Plane拥有独立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K个奇数Block或偶数Block；

• Block是能够执行擦除操作的最小单元，通常由多个Page组成；Page是能够执行编程和读操作的最小单元，通常大小为4KB/8KB/16KB/32KB等。

• Cell是Page中的最小操作擦写读单元，对应一个浮栅晶体管，可以存储1bit或多bit数据，主要可颗粒类型。

下图是一个FLASH Block的组织架构，每个Cell的漏极对应BL(Bitline)，栅极对应WL(Wordline)，源极都连在一起。每个Page对应着一个Wordline，通过Wordline加不同电压和不同时间长度进行各种操作。

一个WordLine对应着一个或若干个Page，对SLC来说一个WordLine对应一个Page；而对MLC来说则对应2个Page(Lower Page 和Upper Page)；Page的大小与WordLine上存储单元(Cell)数量对应。

Data Retention(数据保存力)是用于衡量写入NAND Flash的数据能够不失真保时间的可靠性指标，一般定义为在一定的温度条件下，数据在使用ECC纠错之后不失真保存在NAND Flash中的时间；影响Data Retention 最大的两个因素是擦写次数和存储温度。通常情况下企业级SSD盘的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218标准，即40℃室温下，100%的PE Cycle之后，在下电的情况Data Retention时间要求达到3个月。

NAND Flash写入前必须擦除， Block擦除1次后再写入1次称为1次PE Cycle，Endurance (耐久性)用于衡量NAND Flash的擦写寿命的可靠性指标；Endurance指的是在一定的测试条件下NAND Flash能够反复擦写数据的能力，即对应NAND Flash的PE (Program/Erase) Cycle。

Bit Error Rate(BER)指由于NAND Flash颗粒概率发生Bit位翻转导致的错误，其中，RBER (Raw Bit Error Rate)指没有经过ECC纠错时出现一个Bit位发生错误的几率，RBER也是衡量NAND品质的一项指标。RBER是NAND自身品质的一个特性，随着PE次数的增加会变差，出错趋势呈指数分布，其主要原因是擦写造成了浮栅氧化层的磨损。

UBER(Uncorrectable Bit Error Rate)指发生不可纠正ECC错误的几率，即一个纠错单元Codeword内发生bit位翻转的位数超出ECC算法可纠能力范围的几率。

DWPD(Diskful Writes Per Day)指每日写入量。SSD的成本($/GB)随DWPD增加会变高，未来SSD的趋势预测读密集型当前已占50%，未来的占比会逐渐变大。

NAND Flash的寿命不等于SSD的寿命；SSD盘可以通过多种技术手段从整体上提升SSD的寿命，通过不同的技术手段，SSD盘的寿命可以比NAND Flash宣称寿命提升20%~2000%不等。

SSD的寿命不等于NAND Flash的寿命。NAND Flash的寿命主要通过P/E cycle来表征。SSD由多个Flash颗粒组成，通过盘片算法，可有效发挥颗粒寿命。影响SSD盘使用寿命关键因素主要包括下面因素。

• 每年写入数据量，和客户的业务场景强相关；

• 单个Flash颗粒寿命， 不同颗粒的P/E Cycle不同

• 数据纠错算法，更强纠错能力延长颗粒可用寿命

• 磨损均衡算法，避免擦写不均衡导致擦写次数超过颗粒寿命

• Over Provisioning占比，随着OP(预留空间)的增加SSD磁盘的寿命会得到提高。