NAND Flash SSD 是如何生產(chǎn)出來的？
NAND Flash是一種非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)介質(zhì)，基于浮柵(Floating Gate)晶體管設(shè)計(jì)，通過浮柵來鎖存電荷，電荷被儲(chǔ)存在浮柵中，它們?cè)跓o電源供應(yīng)的情況下仍然可以保持。關(guān)于NAND Flash技術(shù)基本原理之前有過講解，大家可以參考文章閃存技術(shù)最全面解析。今天主要討論下NAND Flash生產(chǎn)過程、架構(gòu)和關(guān)鍵指標(biāo)。
NAND Flash是從原始的硅材料加工出來的，硅材料被加工成晶圓(Wafer)，一片晶圓上可以做出幾百顆NAND FLASH芯片。芯片未封裝前的晶粒成為Die，它是從Wafer上用激光切割而成的小片，每個(gè)Die就是一個(gè)獨(dú)立的功能芯片，它由無數(shù)個(gè)晶體管電路組成，但最終可被作為一個(gè)單位封裝起來成為閃存顆粒芯片。下面是NAND Flash芯片的詳細(xì)加工過程。
NAND Flash的容量結(jié)構(gòu)從大到小可以分為Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。一個(gè)Device有若干個(gè)Die(或者叫LUN)，每個(gè)Die有若干個(gè)Plane，每個(gè)Plane有若干個(gè)Block，每個(gè)Block有若干個(gè)Page，每個(gè)Page對(duì)應(yīng)著一個(gè)Wordline。
Die/LUN是接收和執(zhí)行FLASH命令的基本單元。不同的LUN可以同時(shí)接收和執(zhí)行不同的命令。但在一個(gè)LUN當(dāng)中，一次只能執(zhí)行一個(gè)命令，不能對(duì)其中的某個(gè)Page寫的同時(shí)又對(duì)其他Page進(jìn)行讀訪問。下面詳解介紹下這些結(jié)構(gòu)單元和之間的聯(lián)系。
- Device就是指單片NAND Flash，對(duì)外提供Package封裝的芯片，通常包含1個(gè)或多個(gè)Target；
- Target擁有獨(dú)立片選的單元，可以單獨(dú)尋址，通常包含1或多個(gè)LUN；LUN也就是Die，能夠獨(dú)立封裝的最新物理單元，通常包含多個(gè)plane。
- Plane擁有獨(dú)立的Page寄存器，通常LUN包含1K或2K個(gè)奇數(shù)Block或偶數(shù)Block；
- Block是能夠執(zhí)行擦除操作的最小單元，通常由多個(gè)Page組成；Page是能夠執(zhí)行編程和讀操作的最小單元，通常大小為4KB/8KB/16KB/32KB等。
- Cell是Page中的最小操作擦寫讀單元，對(duì)應(yīng)一個(gè)浮柵晶體管，可以存儲(chǔ)1bit或多bit數(shù)據(jù)，主要可顆粒類型。
下圖是一個(gè)FLASH Block的組織架構(gòu)，每個(gè)Cell的漏極對(duì)應(yīng)BL(Bitline)，柵極對(duì)應(yīng)WL(Wordline)，源極都連在一起。每個(gè)Page對(duì)應(yīng)著一個(gè)Wordline，通過Wordline加不同電壓和不同時(shí)間長(zhǎng)度進(jìn)行各種操作。
一個(gè)WordLine對(duì)應(yīng)著一個(gè)或若干個(gè)Page，對(duì)SLC來說一個(gè)WordLine對(duì)應(yīng)一個(gè)Page；而對(duì)MLC來說則對(duì)應(yīng)2個(gè)Page(Lower Page 和Upper Page)；Page的大小與WordLine上存儲(chǔ)單元(Cell)數(shù)量對(duì)應(yīng)。
Data Retention(數(shù)據(jù)保存力)是用于衡量寫入NAND Flash的數(shù)據(jù)能夠不失真保時(shí)間的可靠性指標(biāo)，一般定義為在一定的溫度條件下，數(shù)據(jù)在使用ECC糾錯(cuò)之后不失真保存在NAND Flash中的時(shí)間；影響Data Retention 最大的兩個(gè)因素是擦寫次數(shù)和存儲(chǔ)溫度。通常情況下企業(yè)級(jí)SSD盤的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218標(biāo)準(zhǔn)，即40℃室溫下，100%的PE Cycle之后，在下電的情況Data Retention時(shí)間要求達(dá)到3個(gè)月。
NAND Flash寫入前必須擦除， Block擦除1次后再寫入1次稱為1次PE Cycle，Endurance (耐久性)用于衡量NAND Flash的擦寫壽命的可靠性指標(biāo)；Endurance指的是在一定的測(cè)試條件下NAND Flash能夠反復(fù)擦寫數(shù)據(jù)的能力，即對(duì)應(yīng)NAND Flash的PE (Program/Erase) Cycle。
Bit Error Rate(BER)指由于NAND Flash顆粒概率發(fā)生Bit位翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的錯(cuò)誤，其中，RBER (Raw Bit Error Rate)指沒有經(jīng)過ECC糾錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)Bit位發(fā)生錯(cuò)誤的幾率，RBER也是衡量NAND品質(zhì)的一項(xiàng)指標(biāo)。RBER是NAND自身品質(zhì)的一個(gè)特性，隨著PE次數(shù)的增加會(huì)變差，出錯(cuò)趨勢(shì)呈指數(shù)分布，其主要原因是擦寫造成了浮柵氧化層的磨損。
UBER(Uncorrectable Bit Error Rate)指發(fā)生不可糾正ECC錯(cuò)誤的幾率，即一個(gè)糾錯(cuò)單元Codeword內(nèi)發(fā)生bit位翻轉(zhuǎn)的位數(shù)超出ECC算法可糾能力范圍的幾率。
DWPD(Diskful Writes Per Day)指每日寫入量。SSD的成本($/GB)隨DWPD增加會(huì)變高，未來SSD的趨勢(shì)預(yù)測(cè)讀密集型當(dāng)前已占50%，未來的占比會(huì)逐漸變大。
NAND Flash的壽命不等于SSD的壽命；SSD盤可以通過多種技術(shù)手段從整體上提升SSD的壽命，通過不同的技術(shù)手段，SSD盤的壽命可以比NAND Flash宣稱壽命提升20%~2000%不等。
SSD的壽命不等于NAND Flash的壽命。NAND Flash的壽命主要通過P/E cycle來表征。SSD由多個(gè)Flash顆粒組成，通過盤片算法，可有效發(fā)揮顆粒壽命。影響SSD盤使用壽命關(guān)鍵因素主要包括下面因素。
每年寫入數(shù)據(jù)量，和客戶的業(yè)務(wù)場(chǎng)景強(qiáng)相關(guān)；
單個(gè)Flash顆粒壽命， 不同顆粒的P/E Cycle不同
數(shù)據(jù)糾錯(cuò)算法，更強(qiáng)糾錯(cuò)能力延長(zhǎng)顆？捎脡勖
磨損均衡算法，避免擦寫不均衡導(dǎo)致擦寫次數(shù)超過顆粒壽命
Over Provisioning占比，隨著OP(預(yù)留空間)的增加SSD磁盤的壽命會(huì)得到提高。
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編輯：Simon 最后修改時(shí)間：2019-06-28
