閃存物理結構

閃存器件原理

前文已經講過了固態硬盤的發展史，曾經的固態硬盤有過RAM等介質，但是目前絕大多數固態硬盤都是以閃存芯片為存儲介質的。DRAM固態硬盤我們見得少，主要應用于特殊的場合。1978年誕生的世界上第一塊固態硬盤就是基于DRAM的。但由于DRAM掉電易失性，當然還有成本因素，現在的固態硬盤一般都不用DRAM，而是使用閃存作為存儲介質，并且是NAND 閃存。固態硬盤的工作原理很多也都是基于閃存特性的。比如，閃存在寫之前必須先擦除，不能覆蓋寫，于是固態硬盤才需要垃圾回收（Garbage Collection，或者叫 Recycle）；閃存每個塊（Block）擦寫次數達到一定值，這個塊要么變成壞塊，要么存儲在上面的數據不可靠，所以固態硬盤固件必須做磨損平衡，讓數據平均寫在所有塊上，而不是盯著幾個塊拼命寫（不然很快固態硬盤就報廢了）。還有類似很多例子，固態硬盤內部很多算法都是在為閃存服務的。所以，欲攻固態硬盤，閃存首當其沖。

閃存是一種非易失性存儲器，也就是說，掉電了，數據也不會丟失。閃存基本存儲單元 (Cell) 是一種類NMOS的雙層浮柵 (Floating Gate) MOS管組成，如圖3-1所示：

圖3-1 浮柵晶體管結構

在源極(Source)和漏極(Drain)之間電流單向傳導的半導體上形成貯存電子的浮柵，浮柵上下被絕緣層所包圍，存儲在里面的電子不會因為掉電而消失，所以閃存是非易失存儲器。

寫操作是在控制極加正電壓，使電子通過絕緣層進入浮柵極。擦除操作正好相反，是在襯底加正電壓，把電子從浮柵極中吸出來,如圖3-2所示：

圖3-2 左：寫原理；右：擦除原理

在2014年的閃存峰會上，浮柵晶體管的發明人施敏（Dr.Simon Sze）被授予終身成就獎，以表彰他發明了浮柵極晶體管。據說，浮柵極晶體管的發明靈感是這樣來的：有天，施敏和搭檔Dawon Kahng在公司的食堂一起吃午餐，飯后甜點是奶酪蛋糕。看著夾心蛋糕，他們在想，如果在MOS場效應管中間加個東西，會怎樣呢？于是，浮柵晶體管橫空出世。截至2014年某個時間點，據統計，全世界生產的浮柵晶體管數目達1 074 344 929 692 350 000 000

這個數字還在繼續增長著。阿呆覺得終身成就獎不夠，施敏應該獲得諾貝爾獎，畢竟機械硬盤機理——巨磁阻效應的發現人已經獲得了諾貝爾獎。

獲獎后，施敏在慶功宴上，為自己點了一份奶酪蛋糕。

SLC，MLC，TLC

一個存儲單元存儲1比特數據的閃存，我們叫它為SLC (Single Level Cell)，2比特為MLC (Multiple Level Cell) ，3比特為TLC (Triple Level Cell)。現在已經有廠商在研發QLC，即一個存儲單元存儲4比特數據，本書不做介紹。

圖3-3 SLC，MLC，TLC原理

對SLC來說，一個存儲單元存儲兩種狀態，浮柵極里面的電子多于某個參考值的時候，我們把它采樣為0，否則，就判為1。

圖3-4是閃存芯片里面存儲單元的閾值電壓分布函數，橫軸是閾值電壓，縱軸是存儲單元數量。其實在0或1的時候，并非所有的存儲單元都是同樣的閾值電壓，而是以這個電壓為中心的一個分布。讀的時候采樣電壓值，落在1范圍里面，就認為是1；落在0范圍里面，就認為是是0。

擦除之后，閃存讀出來的值為1，充過電之后，就是0。所以，如果需要寫1，就啥都不用干，寫0，就需要充電到0。

圖1-4 SLC電壓分布（來源：Inside NAND Flash Memory）

對MLC來說，如果一個存儲單元存儲4個狀態，那么它只能存儲2比特的數據。通俗來說就是把浮柵極里面的電子個數進行一個劃分，比如低于10個電子，判為0；11-20個電子，判為1；21-30，判為2；多于30個電子，判為3。

圖1-5 MLC電壓分布（來源：Inside NAND Flash Memory）

依次類推TLC，若是一個存儲單元有8個狀態，那么它可以存儲3比特的數據，它在MLC的基礎上對浮柵極里面的電子數又進一步進行了劃分。

圖1-6 TLC電壓分布（來源：Inside NAND Flash Memory）

同樣面積的一個存儲單元，SLC，MLC和TLC，分別可以存儲1，2，3 比特的數據，所以在同樣面積的DIE上，閃存容量依次變大。

但同時，一個存儲單元電子劃分的越多，那么在寫入的時候，控制進入浮柵極的電子個數就要越精細，所以寫耗費的時間就越長；同樣的，讀的時候，需要嘗試用不同的參考電壓去讀取，一定程度上加長讀取時間。所以我們會看到在性能上，TLC不如MLC，MLC不如SLC。

下表所示是SLC，MLC和TLC在性能和壽命（Endurance）上的一個直觀對比

（不同制程和不同廠家的閃存，參數不盡相同，數據僅供參考）：

3D TLC逐漸成為主流。同時，QLC也馬上要量產了，每個存儲單元存儲4比特數據，比TLC還要慢，還要不可靠。之前懷疑TLC可靠性的人們，怎么看QLC?