NAND 闪存

NAND 闪存基于非易失性存储技术。它不需要持续供电即可确保数据安全。创建 NAND 闪存的主要原因是为了最大限度地降低比特成本和芯片制造成本。这种闪存可以做得成本与硬盘相当，以便普通消费者能够轻松购买。我们可以在硬盘上轻松存储大量文件，但目前 NAND 闪存还无法做到这一点，因为其市场成本非常高。该公司目前在相机、音乐播放器和智能手机中使用 NAND 闪存。

NAND 存储单元由控制门和浮栅两种栅极组成。这两种栅极都可以帮助管理数据流。向控制门发送电压电荷以编程一个单元。NAND 闪存供应商包括三星、东芝、英特尔、西部数据和美光科技。

NAND 闪存操作

NAND 设置了写入次数。NAND 损耗通常是渐进的，称为磨损，因为单个单元会失效，整体输出会下降。一些供应商通过提供比实际标称的更多的内存来过量供应其系统，以帮助弥补这一点。

当 NAND 卡磨损时，用户只需购买新卡，系统即可继续工作。制造公司通过将额外容量的成本转嫁给消费者，大幅降低了消费电子产品的价格。

NAND 闪存每行只能接受少量写操作。它提供易于读取的访问，但不如静态 ROM 或 RAM 快。该系统抗震，能承受高温和低温以及水浸，因此在手持设备中的性能优于硬盘。

NAND 闪存类型

流行的 NAND 闪存存储类型包括 SLC、MLC、TLC、QLC 和 3D NAND。区分每种形式的是每个单元使用的位数。每个单元的位数越多，存储 NAND 闪存的成本就越低。

SLC 单元，或单层单元，每个单元存储一位。SLC 具有最高的耐用性，但也是最昂贵的 NAND 闪存存储类型。

MLC 每个单元包含两位。由于擦写次数是 SLC 的两倍，MLC 的耐用性不如 SLC。

TLC 每个单元存储三位，或三层单元。许多消费级产品将使用它，因为它成本较低，但性能较低。

QLC 或四层单元每个单元包含四位。QLC 的耐用性差得多，因此成本较低。

NAND 闪存短缺

2016 年，NAND 闪存开始出现短缺。短缺部分是由于需求，但也由于供应商从 2D 或平面 NAND 制造转向更密集的 3D NAND 技术。制造 3D NAND 芯片是一个更棘手的过程。

NAND 闪存与 NOR 闪存

NAND 和 NOR 闪存是两种主要的闪存类型，它们的名字来源于它们各自的逻辑门。NAND 闪存以小于计算机的块进行写入和读取，而 NOR 闪存以字节为单位进行读取和自动创建。NOR 和 NAND 闪存的用例包括笔记本电脑和台式电脑、数码相机和音频播放器、制造和医疗电子产品。

NAND 闪存架构

NAND 闪存采用树状结构开发，旨在最大限度地提高存储容量并最小化成本。该架构分为多个层

• 存储单元 - 它们是存储的最小构建块，由浮栅晶体管组成。SLC 中的每个存储单元可以根据所使用的技术保存 1 位数据，MLC 为 2 位，TLC 为 3 位，QLC 高达 4 位数据。
• 页 - 可以一次读取或编程（写入）的最小数据单元称为页。典型的页大小范围为 4KB 到 16 KB。
• 块 - 一个块包含多个页（128 到 256）。块是可擦除的最小数据单元。数据擦除必须在块级别进行：隔离方案。
• 平面 - 平面由多个块组成，并支持内部并行性，由于可以在内存的不同部分并发操作，因此可以提高性能。
• 芯片 - 芯片是单个硅芯片，包含多个平面。它作为一个独立的内存单元。
• 封装 - 封装利用集成在单个芯片中的一个或多个芯片，以紧凑的形式提供更高的存储容量。

• 布线结构提供了以分层方式处理数据的优势，但也带来了写入放大、磨损均衡和错误纠正的问题，这些问题需要复杂的固件和内存控制单元来处理。

NAND 闪存的优点

• 高存储密度 - NOR 闪存的成本远高于 NAND 闪存，因此 NOR 不适合其他电子设备。此外，NOR 在 USB 闪存驱动器和固态硬盘（SSD）上的成本更高，可扩展性更差；因此，NAND 更受欢迎。
• 低功耗 - NAND 闪存的功耗不像 DRAM 等旧内存版本那样大。这是因为它不需要持续供电来刷新数据，这使其成为便携式和电池供电设备的理想选择。
• 抗震动和抗冲击 - 与具有移动机械部件的硬盘不同，NAND 闪存是固态的。这一特性使其能够抵抗物理冲击和振动以及环境磨损，从而可以在移动和坚固的笔记本电脑、配备系统的设备和嵌入式设备中使用。
• 快速顺序读/写速度 - NAND 闪存在顺序读写操作方面表现出色，这转化为快速的文件传输，这是一个显著的优势。这种速度对于多媒体领域尤其有利，在这些领域中，视频、大型数据库等大文件会被处理。
• 非易失性 - 作为一种非易失性内存类型，NAND 闪存在断电后仍能保留数据。这一特性确保了数据的持久性，对于长期数据存储至关重要。

NAND 闪存的缺点

• 有限的写入寿命 - NAND 闪存单元在有限次数的编程/擦除（P/E）周期后，其承受能力将达到上限，通常在 10,000 到 100,000 个周期之间。这阻碍了设备的耐用性。
• 随机访问速度较慢 - 毋庸置疑，NAND 的优化程度不如 NOR 闪存或 RAM。因此，不建议将其用于基于频繁随机读/写要求的应用程序。
• 需要纠错 - 随着内存老化，比特错误变得越来越普遍。必须使用纠错码（ECC）来确保数据的可靠性。
• 复杂的管理 - 为了确保可靠性和性能，NAND 闪存使用复杂的管理技术，如磨损均衡和垃圾回收，以及坏块管理，这些都被认为是有效控制所必需的。

3D NAND 技术

当传统的平面（2D）NAND 闪存技术达到物理极限时，3D NAND 技术被引入半导体行业。在 3D NAND 中，存储单元不是在单个平面层中展开的扁平存储单元，而是垂直堆叠在多个层中。这种垂直堆叠解决了与 2D NAND 相关的许多缩放问题，并允许制造商在不缩小存储单元尺寸的情况下提高存储容量。

3D NAND 的主要优势

1. 更高密度 - 更高密度的闪存和更高的制造效率是 3D NAND 的主要特点。实现更高存储密度的能力是最大的好处之一。3D NAND 可以垂直堆叠几十甚至上百层，从而在相同的物理空间内存储更多数据。这种能力使得能够制造具有 TB 存储容量的闪存芯片，并将它们存储在小型封装中，这对于数据中心、SSD 甚至高端智能手机非常有用。
2. 更好的耐用性 - 与 2D NAND 相比，3D NAND 使用更大的工艺节点，提高了可靠性并减少了单元间干扰的影响。垂直架构能够在不增加总占用空间的情况下增大单元尺寸，从而提高了写入寿命。因此，3D NAND 在达到使用寿命之前能够承受更多的编程/擦除（P/E）周期，使其适用于企业存储和密集写入操作。
3. 每 GB 成本更低 - 通过增加每个芯片存储的位数，3D NAND 降低了每 GB 的存储成本。这是通过更高的晶圆产量和由于垂直缩放而减小的芯片尺寸来实现的。因此，3D NAND 使高容量闪存对消费者和企业来说都更实惠。

3D NAND 类型

• 电荷陷阱闪存 (CTF) - CTF 是一种 3D NAND 架构，它利用绝缘层来构建存储电荷的陷阱。因此，它不易受干扰，且制造更简单。三星（V-NAND）和美光等许多公司广泛采用这项技术。CTF 还提高了耐用性并降低了功耗要求。
  
• 浮栅 (FG) 3D NAND - 这种方法利用传统的浮栅结构，但对其进行了修改以适应垂直堆叠。它主要在英特尔和美光的早期 3D NAND 代产品中使用。虽然有效，但它存在更多的缩放干扰问题和更复杂的层结构，并且正被 CTF 3D NAND 设计逐渐取代。

3D NAND 生产的挑战

• 精密堆叠 - 实现 3D NAND 需要堆叠几十甚至上百层。这需要在纳米尺度上实现极高的精度。光刻、蚀刻和对齐的顺序都需要先进的技术来确保所有层之间的正确电气连接。任何错位都可能导致更关键的形成失真和性能下降。
• 复杂性增加 - 与 2D NAND 相比，3D NAND 的制造过程要复杂得多，也更困难。垂直堆叠层的额外工艺，包括材料沉积、深沟槽蚀刻和向沟槽中沉积材料，增加了复杂性、成本和时间。仍有一些工艺技术改进有助于解决这个问题，但总的来说，在生产的较低层级，产量低下将是一个长期存在的挑战。

总而言之，尽管面临挑战，3D NAND 技术仍然是强大的。通过技术改进，克服额外的容量、耐用性、性能和复杂生产障碍的形式总是存在的。

NAND 闪存如何存储数据

为了对要存储在内存中的信息进行编码，NAND 闪存依靠修改单个存储单元内的浮栅电荷。每个单元由一个专门设计的晶体管组成。在编程过程中，电子通过福勒-诺德海姆隧穿效应注入浮栅。晶体管导通所需的电压（阈值电压）会因这些陷阱电子的存在或缺失而改变。

由于陷阱了更多电子而导致更高阈值电压的存在表示逻辑“0”，而较低的阈值数表示逻辑“1”，这意味着存储的电子很少或没有。在“读取”操作期间，当内存控制器调用特定电压并测量电流以确定阈值电压时，会计算晶体管上的这些值。然后使用阈值电压来解码位。

在 MLC、TLC 和 QLC 等更先进的 NAND 类型中，通过区分更多的电压水平，可以使一个部分下的单元存储多个位。例如，MLC 单元可以通过使用四个不同的阈值电压范围来存储 2 位，而 QLC 使用 16 个范围来存储每单元 4 位。

用例和应用

NAND 闪存被认为是最通用的存储形式之一，其非易失性、低功耗要求、紧凑的尺寸和高性能使其广泛应用于各种设备和行业。这同样适用于消费者和工业客户。

消费电子产品

• 智能手机和平板电脑 - NAND 闪存是操作系统和应用程序等重要用户数据的首选存储介质。移动设备受益于其紧凑的尺寸，快速的数据访问进一步提高了该领域不可或缺的速度和密度要求。
• USB 闪存驱动器 - 这些即插即用设备便携、方便，并允许在计算机之间传输文件。它们依赖 NAND 闪存进行便携式数据存储。
• SD 卡 - SD 卡专为无人机、数码相机、掌上游戏机和手机而设计，提供高容量存储，同时采用 NAND 闪存以保持小巧的尺寸。

企业和数据中心

• SSD（固态硬盘） - 在许多企业环境中，使用 NAND 闪存的 SSD 已几乎取代了传统的硬盘驱动器。它们卓越的读/写速度、大大提高的耐用性和更低的延迟使得 SSD 更受欢迎。
• 云存储系统 - 数据中心使用基于 NAND 的 SSD 来加速数据检索，以提高虚拟化环境和高访问场景下的性能。

汽车工业

• NAND 闪存正被集成到汽车中，用于信息娱乐系统、GPS 导航和车载诊断。由于其抗震动、抗振动和耐极端温度的特性，它非常适合汽车应用。

工业应用

• 在工厂自动化、嵌入式系统和军事装备中，NAND 闪存提供了可靠的存储介质，能够承受灰尘、湿气和极端温度的暴露，这对于在恶劣环境中可靠运行至关重要。

医疗设备

• NAND 闪存存在于手持诊断设备、成像系统和患者监护设备中。其可靠性、紧凑性以及即使在关闭电源后也能保留数据，使其成为存储关键数据的理想选择。

NAND 闪存的新兴趋势

随着数据在各行业的需求不断增长，NAND 闪存一直在发展，采用新技术来优化其速度、可靠性和性能。许多新技术正在实现 NAND 闪存所期望的高期望。

Z-NAND

三星的 Z-NAND 旨在通过低延迟和高性能来超越传统 NAND。它旨在满足需要低访问时间和高数据传输速率的企业级空间。例如，实时分析、高频交易和大规模数据库。Z-NAND 采用单层单元（SLC）技术和定制控制器生产，旨在减少读写周期中的延迟。Z-NAND 还缩小了 NAND 和 DRAM 性能之间的差距，因为基于闪存的存储仍然具有成本优势。任务关键型应用程序通常使用优化 Z-NAND 的高性能 SSD。

XL-FLASH

Kioxia（前身为东芝内存）设计了 XL-FLASH 作为下一代产品，试图取代 DRAM 成为最广泛使用的内存。Kioxia 的新一代产品旨在保护 NAND 闪存通常较低的成本和密度优势。XL-FLASH 以单层单元（SLC）架构为蓝本，旨在实现超低延迟和高耐用性。因此，它适用于存储类内存（SCM）解决方案。它旨在缩小 NAND 和 DRAM 之间的性能差距，以适应高要求的应用程序，如 AI 处理、数据库缓存层和需要快速访问海量数据集的虚拟化平台。

XPoint 技术

尽管并非严格意义上的 NAND 技术，但英特尔和美光的 3D XPoint（以英特尔 Optane 的名义销售）因其架构和定位而被视为内存技术创新，并“颠覆”了该领域。3D XPoint 位于 DRAM 和 NAND 之间，在分层内存层次结构中，其延迟远低于 NAND，耐用性也更高。它可以在断电后保留数据（类似于 NAND），并且性能接近 DRAM。它既用作存储（Optane SSD）设备，也用作内存（Optane 永久内存）设备，对于服务器虚拟化、大规模模拟、内存数据库以及需要快速访问频繁更改数据集的其他工作负载尤其关键。

NAND 闪存的安全性

随着手机、笔记本电脑、终端、闪存设备和企业云平台的数量不断增加，这些设备上存储的敏感数据量变得越来越敏感。这种激增使得数据安全成为 NAND 闪存架构设计框架中的一个关键因素。为了解决数据泄露和无限制访问的担忧，制造商现在已集成安全功能。

加密（AES 256 位）

高级加密标准（AES）256 位协议会自动加密数据，因为许多基于 NAND 闪存的存储解决方案现在都包含硬件级加密。确实，在性能上付出一点努力并不会影响一切——数据会自动加密。即使将存储设备与主机断开连接，在未提供加密密钥的情况下，其加密数据仍然是安全的。

安全擦除

安全擦除功能的限制在于闪存设备，它能够永久删除 NAND 闪存设备上的数据。所有设备都致力于让用户能够快速删除数据，但与标准的删除命令（将数据标记为无效）不同，安全擦除会删除数据块，使其无法恢复。当企业希望淘汰其存储设备或消费者希望处置其电子产品时，安全数据擦除至关重要。

常见问题解答 - NAND 闪存

1. 什么是 NAND 闪存，它与 NOR 闪存有何不同？

NAND 闪存是指一种非易失性内存类型，即使在断电的情况下也能保留信息。与按字节检索信息的 NOR 闪存不同，NAND 是面向块的，意味着数据以更大的单元进行读取和写入，这增加了密度。这允许写入速度更快，但随机访问速度较慢。

2. NAND 闪存的主要类型有哪些？

NAND 闪存的类型包括**单层单元**（SLC）、**多层单元**（MLC）、**三层单元**（TLC）和**四层单元**（QLC）。SLC 每个单元存储 1 位数据，MLC 存储 2 位，TLC 存储 3 位，QLC 存储 4 位。随着比特密度的增加，成本会降低。然而，较低的密度也会导致耐用性和性能下降。

3. 什么是 3D NAND，它为什么重要？

3D NAND 的重要性在于它解决了传统 2D NAND 带来的问题，同时提高了密度。它垂直堆叠存储单元以提高容量，同时降低每 GB 的成本。

4. NAND 闪存的缺点是什么？

与大多数事物一样，NAND 闪存并非没有挑战。主要限制包括写入寿命短、随机访问速度慢、需要纠错以及对内存完整性和寿命进行复杂的维护。

5. NAND 闪存通常用在哪里？

由于其尺寸减小、访问速度快和抗震性，NAND 闪存被集成到便携式和嵌入式系统中，如智能手机、SSD、USB 驱动器、数码相机、平板电脑和其他便携式设备。