[转]谈NAND Flash的底层结构和解析

这里我想以一个纯玩家的角度来谈谈关于NAND Flash的底层结构和解析，可能会有错误的地方，如果有这方面专家强烈欢迎指正。

NAND Flash作为一种比较实用的固态硬盘存储介质，有自己的一些物理特性，需要有基本的管理技术才能使用，对设计者来说，挑战主要在下面几点：

1.需要先擦除才能写入。
2.损耗机制，有耐久度限制。
3.读写时候造成的干扰会造成数据出错。
4.数据的保存期。
5.对初始和运行时候的坏块管理。

只有至少满足这些基本的管理技术，才能让NAND Flash成为一款可以使用的固态存储介质。（这里还没有谈到任何关于性能的地方，因为那是这些基本条件满足后的事。）

当满足了上面的5点后，才该谈到稳定，性能，耐久度，影响这些的5大因素为：

1.SLC和MLC
2.平衡磨损算法
3.透过坏块管理技术确保数据的完整性。
4.使用错误检测和校正技术
5.写入放大

只有满足了这些条件，才能得到一款理想中的完美的固态硬盘。

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Flash全名叫做Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，与此相对应的是易失性存储设备(Volatile Memory Device)。关于什么是非易失性/易失性，从名字中就可以看出，非易失性就是不容易丢失，数据存储在这类设备中，即使断电了，也不会丢失，这类设备，除了Flash，还有其他比较常见的如硬盘，ROM等，与此相对的，易失性就是断电了，数据就丢失了，比如大家常用的内存，不论是以前的SDRAM，DDR SDRAM，还是现在的DDR2，DDR3等，都是断电后，数据就没了。

Flash的内部存储是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET)，里面有个悬浮门(Floating Gate)，是真正存储数据的单元。

 

数据在Flash内存单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的控制门（Control gate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth 来表示。

1.对于NAND Flash的写入（编程)，就是控制Control Gate去充电（对Control Gate加压），使得悬浮门存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。

2.对于NAND Flash的擦除(Erase)，就是对悬浮门放电，低于阀值Vth，就表示1。

NAND Flash的架构:

 

如上图所示，这是一个8Gb 50nm的SLC颗粒内部架构。

每个page有33,792个单元，每个单元代表1bit(SLC)，所以每个page就是4096Byte + 128Byte（SA）。
每个Block有64个page组成，所以每个Block容量为262,114Byte + 8192Byte （SA）

page是NAND Flash上最小的读/写单位（一个page上的单元共享一根字符线Word line），块是最小的擦除单位（。不同厂牌不同型号颗粒有不同的page和block大小。

下图是个8Gb 50nm的SLC颗粒。

 

4KB的页尺寸，256KB的块尺寸。图中4096字节用于存储数据，另外128字节用来做管理和ECC用。

SLC 和 MLC 区别：

SLC主要针对军工，企业级应用，有着高速写入，低出错率，长耐久度特性。
MLC主要针对消费级应用，有着2倍容量于SLC，低成本，适合USB闪盘，手机，数码相机等储存卡。如今也被用于消费级固态硬盘上。

 

由上图可以看到，MLC和SLC虽然使用相同的电压值，但是电压之间的阀值被分成了4份，直接影响了性能和稳定性。主要有下面几点：

1.相邻的存储电荷的悬浮门间会互相干扰，造成悬浮门里的电荷不稳定出现bit错误，MLC由于阀值相比SLC更接近，造成出错几率更大。
2.MLC读写性能降低，写入更是降低50%以上，因为需要确认充入电荷的量，这需要更精确的处理。SLC只有0和1，也就是有和没有，而MLC会有00,01,10,11 4个状态，在充入电荷后还要去判断是哪个状态，自然就慢了。
3.因为上面说的，造成额外的读写压力，所以功耗明显增大。
4.因为额外的读写压力，造成闪存的写入耐久度和数据保存期受到影响。

eMLC和eSLC的耐久度提升是用牺牲了数据保存期和增加读写时间换来的。（也就是性能会更差点）

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挑战1：需要先擦除才能写入。

 

当今的NAND Flash可以读/写一个page，但是必须以block大小擦除。

擦除操作就是让块中所有的bit变为1，从一个干净的“已擦除”状态的block重新开始。当里面的页变为0后，只有擦除整个块才能让这个页变为1。为了尽量减少擦除的次数，成熟的块管理技术必不可少。

挑战2：读/写干扰。

NAND Flash的电荷非常不稳定，在读/写中很容易对邻近的单元造成干扰，干扰后会让附近单元的电荷脱离实际的逻辑数值，造成bit出错，因为阀值接近的关系，MLC相对SLC来说更容易受到干扰。

 

读取干扰

 

写入干扰

读取干扰指的是在读取某个page时，邻近的bit会受到升高电压的干扰，造成bit出错。写入干扰指的是，某个page在写入时，邻近bit的电压也被升高了，造成bit出错。相对写入干扰来说，读取干扰明显小的多。在读/写干扰中，可能造成某些bit被改变，结果造成数据出错。所以需要在返回数据给主机前，用ECC/EDC算法来纠正这些bit的错误。随着闪存工艺的提升，同样大小的晶片上被封装入更多的单元，造成干扰越来越厉害，所以需要更强大的ECC/EDC来纠正bit。

挑战3：数据保存期限

数据保存期指的是当完全断电后，数据能在NAND Flash里保存多久。NAND单元必须保证一个稳定的电压水平，来保证数据是有效的。典型的SLC一般为10年。电荷从悬浮门里漏出，我们叫做电子迁移，当随着时间的流逝，电荷泄漏到一定程度，改变了NAND单元里悬浮门的电压对应的逻辑值，这样就造成bit出错。

 

数据保存期会随着擦写次数的增加而明显降低，而且从上面的原理中看出，MLC的数据保存期明显会比SLC少。（更容易被干扰)

挑战4： 坏块

NAND Flash里有2种坏块类型：

1，出厂坏块：由于为了保证产量和控制成本,出厂的NAND Flash某些就会有坏块。厂商保证SLC出厂坏块低于2%，MLC出厂坏块低于5%。
2，积累坏块：在多次的写入/擦除循环中，某些NAND单元的电荷电压被永久性的改变了，那就意味着包含这个NAND单元不可用了。

所以固态硬盘需要有坏块管理才能使用，主控制器用坏块表来映射出厂坏块和积累坏块到坏块区内，出厂时，颗粒的第一个块Block 0厂商会保证是可用的（至少ECC后可用）。

挑战5：擦写次数限制

造成NAND Flash有擦写次数限制的主要有2个因素：

1，电荷被困在氧化层，不能进入悬浮门。
2，氧化层结构被破坏。

 

如图，一旦氧化层损坏到达一定程度，造成电荷越来越难在P-substrate和悬浮门之间交流。电荷被困在氧化层造成悬浮门中的电压到不了阀值，所以说这个NAND单元就要被放入坏块区了。

当前主流SLC的P/E为10万次，50nm MLC为1万次，3xnm的MLC为5000次。到了这个数字并不意味着就不能用了，这个只是代表平均寿命，也就是说到了这个次数后，坏块就会开始大量增加了。

随着工艺提升，ECC的要求越来越高，50nm的SLC颗粒，三星规定1bit ECC的就够了，而50nm MLC要4bit ECC,到了3xnm要求达到24bit ECC。

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附； ECC

影响NAND Flash稳定性和耐久度的一个主要因素就是ECC能力，目前最常用的三种算法是：

1.Reed-Solomon。2.Hamming。3.BCH (Bose, Ray-Chaudhuri, Hocquenghem)

不管何种ECC算法，何种主控，检测错误的方式是相同的：

 

1.每当一个page写入NAND Flash，数据会通过ECC引擎，创造独特的ECC签名。
2.数据和对应的ECC签名存都存放在NAND Flash里，数据放在数据区，ECC签名放在 SA区。
3.当需要读取数据时，数据和ECC签名一起被送往主控制器，此时新的ECC签名被生成。
4.此时主控把2个签名对照，如果签名相同，说明数据没有错误，数据就会被送往主机。如果签名不同，数据就会先放在主控里，而不是直接送往主机。

某些主控会把改正后的数据再次写回闪存，另一些则不会，因为谁也不知道下次读取会不会再出错。

ECC的能力直接关系到NAND Flash的耐久度，数据保存期。当NAND Flash的P/E数到了之后，错误数会越来越多，ECC弱的直接就报坏块并标记退休，如果ECC能力足够强，就能挖掘出Flash所有潜力。