[轉]談NAND Flash的底層結構和解析

這裏我想以一個純玩家的角度來談談關於NAND Flash的底層結構和解析，可能會有錯誤的地方，若是有這方面專家強烈歡迎指正。


NAND Flash做爲一種比較實用的固態硬盤存儲介質，有本身的一些物理特性，須要有基本的管理技術才能使用，對設計者來講，挑戰主要在下面幾點：

1.須要先擦除才能寫入。
2.損耗機制，有耐久度限制。
3.讀寫時候形成的干擾會形成數據出錯。
4.數據的保存期。
5.對初始和運行時候的壞塊管理。

只有至少知足這些基本的管理技術，才能讓NAND Flash成爲一款可使用的固態存儲介質。（這裏尚未談到任何關於性能的地方，由於那是這些基本條件知足後的事。）

當知足了上面的5點後，才該談到穩定，性能，耐久度，影響這些的5大因素爲：

1.SLC和MLC
2.平衡磨損算法
3.透過壞塊管理技術確保數據的完整性。
4.使用錯誤檢測和校訂技術
5.寫入放大


只有知足了這些條件，才能獲得一款理想中的完美的固態硬盤。



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Flash全名叫作Flash Memory，屬於非易失性存儲設備(Non-volatile Memory Device)，與此相對應的是易失性存儲設備(Volatile Memory Device)。關於什麼是非易失性/易失性，從名字中就能夠看出，非易失性就是不容易丟失，數據存儲在這類設備中，即便斷電了，也不會丟失，這類設備，除了Flash，還有其餘比較常見的如硬盤，ROM等，與此相對的，易失性就是斷電了，數據就丟失了，好比你們經常使用的內存，不管是之前的SDRAM，DDR SDRAM，仍是如今的DDR2，DDR3等，都是斷電後，數據就沒了。

Flash的內部存儲是金屬-氧化層-半導體-場效晶體管(MOSFET)，裏面有個懸浮門(Floating Gate)，是真正存儲數據的單元。

 

 

數據在Flash內存單元中是以電荷(electrical charge) 形式存儲的。存儲電荷的多少，取決於圖中的控制門（Control gate）所被施加的電壓，其控制了是向存儲單元中衝入電荷仍是使其釋放電荷。而數據的表示，以所存儲的電荷的電壓是否超過一個特定的閾值Vth 來表示。

1.對於NAND Flash的寫入（編程)，就是控制Control Gate去充電（對Control Gate加壓），使得懸浮門存儲的電荷夠多，超過閾值Vth，就表示0。

2.對於NAND Flash的擦除(Erase)，就是對懸浮門放電，低於閥值Vth，就表示1。


NAND Flash的架構:

 

 

如上圖所示，這是一個8Gb 50nm的SLC顆粒內部架構。

每一個page有33,792個單元，每一個單元表明1bit(SLC)，因此每一個page就是4096Byte + 128Byte（SA）。
每一個Block有64個page組成，因此每一個Block容量爲262,114Byte + 8192Byte （SA）

page是NAND Flash上最小的讀/寫單位（一個page上的單元共享一根字符線Word line），塊是最小的擦除單位（。不一樣廠牌不一樣型號顆粒有不一樣的page和block大小。

下圖是個8Gb 50nm的SLC顆粒。

 

 

4KB的頁尺寸，256KB的塊尺寸。圖中4096字節用於存儲數據，另外128字節用來作管理和ECC用。


SLC 和 MLC 區別：

SLC主要針對軍工，企業級應用，有着高速寫入，低出錯率，長耐久度特性。
MLC主要針對消費級應用，有着2倍容量於SLC，低成本，適合USB閃盤，手機，數碼相機等儲存卡。現在也被用於消費級固態硬盤上。

 

 

由上圖能夠看到，MLC和SLC雖然使用相同的電壓值，可是電壓之間的閥值被分紅了4份，直接影響了性能和穩定性。主要有下面幾點：

1.相鄰的存儲電荷的懸浮門間會互相干擾，形成懸浮門裏的電荷不穩定出現bit錯誤，MLC因爲閥值相比SLC更接近，形成出錯概率更大。
2.MLC讀寫性能下降，寫入更是下降50%以上，由於須要確認充入電荷的量，這須要更精確的處理。SLC只有0和1，也就是有和沒有，而MLC會有00,01,10,11 4個狀態，在充入電荷後還要去判斷是哪一個狀態，天然就慢了。
3.由於上面說的，形成額外的讀寫壓力，因此功耗明顯增大。
4.由於額外的讀寫壓力，形成閃存的寫入耐久度和數據保存期受到影響。

eMLC和eSLC的耐久度提高是用犧牲了數據保存期和增長讀寫時間換來的。（也就是性能會更差點）

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挑戰1：須要先擦除才能寫入。

 

 

當今的NAND Flash能夠讀/寫一個page，可是必須以block大小擦除。

擦除操做就是讓塊中全部的bit變爲1，從一個乾淨的「已擦除」狀態的block從新開始。當裏面的頁變爲0後，只有擦除整個塊才能讓這個頁變爲1。爲了儘可能減小擦除的次數，成熟的塊管理技術必不可少。


挑戰2：讀/寫干擾。

NAND Flash的電荷很是不穩定，在讀/寫中很容易對鄰近的單元形成干擾，干擾後會讓附近單元的電荷脫離實際的邏輯數值，形成bit出錯，由於閥值接近的關係，MLC相對SLC來講更容易受到干擾。

 

 

讀取干擾

 

 

寫入干擾

讀取干擾指的是在讀取某個page時，鄰近的bit會受到升高電壓的干擾，形成bit出錯。寫入干擾指的是，某個page在寫入時，鄰近bit的電壓也被升高了，形成bit出錯。相對寫入干擾來講，讀取干擾明顯小的多。在讀/寫干擾中，可能形成某些bit被改變，結果形成數據出錯。因此須要在返回數據給主機前，用ECC/EDC算法來糾正這些bit的錯誤。隨着閃存工藝的提高，一樣大小的晶片上被封裝入更多的單元，形成干擾愈來愈厲害，因此須要更強大的ECC/EDC來糾正bit。


挑戰3：數據保存期限

數據保存期指的是當徹底斷電後，數據能在NAND Flash裏保存多久。NAND單元必須保證一個穩定的電壓水平，來保證數據是有效的。典型的SLC通常爲10年。電荷從懸浮門裏漏出，咱們叫作電子遷移，當隨着時間的流逝，電荷泄漏到必定程度，改變了NAND單元裏懸浮門的電壓對應的邏輯值，這樣就形成bit出錯。

 

 

數據保存期會隨着擦寫次數的增長而明顯下降，並且從上面的原理中看出，MLC的數據保存期明顯會比SLC少。（更容易被幹擾)


挑戰4： 壞塊

NAND Flash裏有2種壞塊類型：

1，出廠壞塊：因爲爲了保證產量和控制成本,出廠的NAND Flash某些就會有壞塊。廠商保證SLC出廠壞塊低於2%，MLC出廠壞塊低於5%。
2，積累壞塊：在屢次的寫入/擦除循環中，某些NAND單元的電荷電壓被永久性的改變了，那就意味着包含這個NAND單元不可用了。

因此固態硬盤須要有壞塊管理才能使用，主控制器用壞塊表來映射出廠壞塊和積累壞塊到壞塊區內，出廠時，顆粒的第一個塊Block 0廠商會保證是可用的（至少ECC後可用）。



挑戰5：擦寫次數限制

形成NAND Flash有擦寫次數限制的主要有2個因素：

1，電荷被困在氧化層，不能進入懸浮門。
2，氧化層結構被破壞。

 

 

如圖，一旦氧化層損壞到達必定程度，形成電荷愈來愈難在P-substrate和懸浮門之間交流。電荷被困在氧化層形成懸浮門中的電壓到不了閥值，因此說這個NAND單元就要被放入壞塊區了。

當前主流SLC的P/E爲10萬次，50nm MLC爲1萬次，3xnm的MLC爲5000次。到了這個數字並不意味着就不能用了，這個只是表明平均壽命，也就是說到了這個次數後，壞塊就會開始大量增長了。

隨着工藝提高，ECC的要求愈來愈高，50nm的SLC顆粒，三星規定1bit ECC的就夠了，而50nm MLC要4bit ECC,到了3xnm要求達到24bit ECC。


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附； ECC

影響NAND Flash穩定性和耐久度的一個主要因素就是ECC能力，目前最經常使用的三種算法是：

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

無論何種ECC算法，何種主控，檢測錯誤的方式是相同的：


 

 

1.每當一個page寫入NAND Flash，數據會經過ECC引擎，創造獨特的ECC簽名。2.數據和對應的ECC簽名存都存放在NAND Flash裏，數據放在數據區，ECC簽名放在 SA區。3.當須要讀取數據時，數據和ECC簽名一塊兒被送往主控制器，此時新的ECC簽名被生成。4.此時主控把2個簽名對照，若是簽名相同，說明數據沒有錯誤，數據就會被送往主機。若是簽名不一樣，數據就會先放在主控裏，而不是直接送往主機。某些主控會把改正後的數據再次寫回閃存，另外一些則不會，由於誰也不知道下次讀取會不會再出錯。ECC的能力直接關係到NAND Flash的耐久度，數據保存期。當NAND Flash的P/E數到了以後，錯誤數會愈來愈多，ECC弱的直接就報壞塊並標記退休，若是ECC能力足夠強，就能挖掘出Flash全部潛力。