浅析不同NAND架构的差异与影响

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。

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.

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。

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。

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。

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。

在写性能方面的对比，不同的架构有不同的表现。

• 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。

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。

 

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：

（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：

（图片自Techinsights，如有侵权，请私信告知）

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：

（图片自Techinsights，如有侵权，请私信告知）

5.不同NAND原厂 3D NAND Gate间距对比：

（图片自Techinsights，如有侵权，请私信告知）