适用于工业应用的 NAND 闪存

作者: Swissbit AG 存储解决方案总经理 Roger Griesemer

伪SLC如何兼顾耐用性和经济性？

如今，在 NAND 闪存行业中，随处可见存储密度又达到新高的各种新闻。闪存早已实现了 100 层以上的技术，并且在短期内似乎并没有遇到瓶颈的迹象。 

目前的趋势是随着层数稳步提高的同时在每个单元中存储更多位元。目前的主流技术是TLC（三层单元，Triple Level Cell），每个单元存储 3 位元，其中的“层”指的是比特数，而不是内部状态。需要存储和读取的内部状态的数量是存储的位元数的 2 次方——3 位就意味着需要识别 8 种不同的状态。目前的趋势是通过 QLC 技术（四层单元，每单元 4 位元）在相同尺寸的芯片中实现更大的存储容量。QLC 具有 16 个状态，因此实现起来并不轻松。

随着芯片每平方厘米所存储的信息量的增加，可实现的写入周期数也会相应减少。SLC（单层单元，每单元 1 位）每个单元可以重写 60000 到 100000 次，而 MLC（多层单元，每单元 2 位）的写入次数减少到了只有 3000 次。在从平面 MLC 过渡到 3D TLC（2 位到 3 位）后，由于 3D 电荷捕获型闪存具有更佳的单元特性，其被证明还是具有 3000 次循环寿命。QLC 会减少到 1000 左右，而下一个阶段的 PLC（五层单元，每个单元 5 位 = 32 个状态）会减少到小于 100。PLC 已经通过了原型阶段，以后会成为超大规模数据中心应用的主流 NAND，例如 Google 和 Facebook 的应用方式，数据只写入一次，然后频繁读取（WORM = 一次写入，多次读取）。

严苛要求与高价格

与前述的应用相对，频繁写入少量数据的应用仍然会存在，例如传感器数据记录、本地物联网数据库和状态信息记录等。与写入数兆字节的数据相比，写入几个字节或数千字节的小数据包对 NAND 闪存的损耗更快。

对于这些应用而言，老技术的 SLC 是最好的存储介质。由于每个块（Block）较小以及高达 100000 次的擦除周期数，使用 SLC 的存储模块通常会比设备本身的实际使用寿命更耐久。此外，SLC 温度敏感性较低，对控制器的纠错能力要求也较低，所有这些都对长期稳定性有积极影响。

然而，替换掉严苛要求应用中的 SLC 的主要原因可以归结为另一个重要的考虑因素：价格。SLC 技术正面临“先有鸡还是先有蛋”的困境：由于技术较老、成本更高，主流正在逐渐远离 SLC，同时这正是不值得将 SLC 转换成更现代技术的原因。

伪 SLC 是具有竞争力的折衷

如今，采用 SLC 技术的单个芯片最大容量为 32 Gbit，典型芯片面积为 100 mm²。另一方面，普通的价格相似的 3D NAND TLC 芯片达到了 512 Gbit 的容量，不久后还会达到 1 Tbit。也就是说，TLC 技术的价格是 SLC 的 1/16。

让我们从系统层面来看这种影响：TLC 控制器更复杂、更昂贵，使用 512 Gbit NAND 芯片的驱动器最小容量为 32 GB。这对于数据中心或家庭用户来说没有什么问题。在使用TLC的情况下，某些尺寸的驱动器容量往往会超过 1 TB。但是，对于工业领域的应用或作为网络和通信系统的引导驱动器而言，情况就有所不同。在这些情况下，尽管负荷更高，但通常几 GB 容量就够用了。

最理想的情况是大批量生产的采用最新 3D NAND 技术且具有成本效益的 SLC 芯片。SLC的定义是单层单元（即每单元一位），事实证明这对于所有最新的 NAND 闪存产品也是确实可行的。但是，必须让内部控制器只在两种状态下工作：已擦除和已编程，1 和 0。这种操作模式称为 pSLC 或伪 SLC。

优点大于缺点

通过仅使用两个内部状态，可以以较低的电压实现编程。这可以保护存储晶体管中敏感的氧化硅并延长其使用寿命。由于电子设备只需要区分两种状态，因此相比存在 32 种状态的情况而言信噪比会高很多。与 TLC 和 QLC 相比，所存储的值损毁所需的时间也更长。
这两种效应使得 pSLC 可实现的编程和擦除周期数从 TLC 的 3000 提高到了 30000 到 60000 之间。这种操作模式使TLC进入了“真正”SLC 技术的范围内。

2D MLC NAND 也能在 pSLC 模式下运行。在这种情况下，每个单元只使用两个位元中的一个，因此容量减半。仅写入一位也会有速度优势。在价格方面，显然，每位的成本翻了一番，因为每个芯片只有一半的容量可用。使用 TLC 技术仅仅使用每个单元的三位中的一位。因此，要实现相同的存储容量，成本将会是原来的三倍。尽管如此，这仍然比真正的 SLC NAND 便宜很多。

pSLC 所带来的“新”存储容量

芯片容量减少到原来的三分之一会使SSD的容量变得不那么常见。在二进制的信息世界中，人们习惯于使用 2 的次方来计算容量，如64、128、256、512 GB 等。然而，随着 3D NAND 的问世，闪存内部需要更多存储容量以实现缓存或 RAID 或预留空间（用于加速写入和延长使用寿命）。所以最终的容量可能是 30、60、120、240、480 GB 等。
如果再考虑到 pSLC 减少三分之二容量，其结果会是不常见的驱动器容量：480 GB TLC SSD 会变成 160 GB pSLC SSD，但是与 480 GB TLC SSD 一样价格。使用固定的系统环境映像的嵌入式或网络和通信市场的小容量产品仍然使用二进制容量数值。对于这些情况，用户可用容量会缩小到最接近的的二进制容量，其优点是使用寿命会再次不成比例地放大。但是，每 GB 可用容量的价格也略有提高。

结论

pSLC 是对经典 SLC 存储器技术的最佳补充，是理想的能够使 3D NAND 技术达到 SLC 寿命的经济高效解决方案。唯一的“缺点”是不常见的驱动器容量，如 10、20、40、80、160 GB。

为此，工业存储器制造商 Swissbit 为几乎所有 MLC 和 3D TLC NAND 产品提供了 pSLC 模式选项。真正的SLC产品将长期保留在公司的产品线上，因为真正的SLC无与伦比的优势是它不需要每两年更换一次，从而节省了重新认证的成本。对于医疗技术、自动化和运输等具有很长产品生命周期和高标准化要求的市场，SLC 仍然没有替代品。

图1：不同 NAND 操作模式下的电荷分布


图2：NAND 技术比较