浅析不同NAND架构的差异与影响

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SSD的存储介质是什么,它就是NAND闪存。那你知道NAND闪存是怎么工作的吗?其实,它就是由很多个晶体管组成的。这些晶体管里面存储着电荷,代表着我们的二进制数据,要么是“0”,要么是“1”。NAND闪存原理上是一个CMOS管,有两个栅极,一个是控制栅极(Control Gate), 一个是浮栅(Floating Gate). 浮栅的作用就是存储电荷,而浮栅与沟道之间的氧化层(Oxide Layer)的好坏决定着浮栅存储电荷的可靠性,也就是NAND闪存的寿命。

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目前市面上主要流通的就是4种NAND类型:SLC、MLC、TLC、QLC。随着每个寿命从高到低依次是SLC>MLC>TLC>QLC.

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随着单个cell含有的bit数越多,NAND的可靠性也会有所降低。同时写延迟也在不断的增加。SLC写延迟在0.5ms级别,到QLC写延迟达到10-20ms,40倍的差距。这也导致QLC SSD性能出现很大的下降。

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目前业内3D-NAND工艺架构主要分为两个阵营:

  • 一个阵营,以Solidigm(Intel存储产品卖给海力士后新成立的公司)为首,采用Floating Gate(FG)浮栅,FG浮栅将电荷存储在导体中。FG浮栅对read disturb和program disturb的抗干扰比CTF要好。

  • 一个阵营,剩余其他NAND原厂,三星/WD/铠侠等,采用Change Trap Flash。Micron最开始用FG,后来也转投CTF阵营。CTF将电荷存储于绝缘体中,这消除了单元之间的干扰,提高了读写性能,同时与浮栅技术相比减少了单元面积

不过,很遗憾,随着Micron的放弃以及最后一根独苗Solidigm被海力士收购,FG浮栅架构前景不乐观,也许FG NAND很快会成为历史

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FG浮栅架构在Program过程,采用4-16 program算法,这个过程可以减少program disturb写干扰。

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CTF架构,或者叫做RG架构,采用16-16 progam算法,两次program都要求所有page直接写入NAND,第一次program电压是放置在最终电压附近。CTF的Data Retention相对比较严重。

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在写性能方面的对比,不同的架构有不同的表现。

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  • 在TLC NAND中,CTF架构tPROG比FG浮栅低18%,所以在TLC SSD中,CTF架构TLC NAND SSD的性能比FG架构TLC NAND SSD性能要好。

  • 在QLC NAND中,由于program算法差异的影响,FG浮栅表现更好,FG架构QLC NAND SSD性能比CTF架构QLC NAND SSD性能要好。

从QLC SSD性能对比图,同样4plane的QLC SSD,采用FG架构的Intel QLC SSD写延迟tPROG=1.63ms比采用CTF架构的SK Hynix写延迟tPROG=2.15ms要低。

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不同的NAND工艺架构,在不同的维度各有千秋,对维度对比,供大家参考。

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目前业内3D NAND各家原厂分别是什么情况呢?参考Techinsights公布的各大原厂架构分析,可以从以下几个纬度了解下各家的差异:

1.3D NAND架构演进路线图:

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(图片自Techinsights,如有侵权,请私信告知)

2.不同NAND原厂主流架构对比:

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3.不同NAND原厂 3D NAND堆叠层数趋势变化:

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4.不同NAND原厂 3D NAND Bit Density对比:

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5.不同NAND原厂 3D NAND Gate间距对比:

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