NAND Flash是如何生產出來的？

架構師技術聯盟發表於2017-12-22
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      NAND Flash是一種非易失性隨機訪問儲存介質，基於浮柵(Floating Gate)電晶體設計，通過浮柵來鎖存電荷，電荷被儲存在浮柵中，它們在無電源供應的情況下仍然可以保持。關於NAND Flash技術基本原理之前有過講解，大家可以參考文章快閃記憶體技術最全面解析。今天主要討論下NAND Flash生產過程、架構和關鍵指標。


      NAND Flash是從原始的矽材料加工出來的，矽材料被加工成晶圓(Wafer)，一片晶圓上可以做出幾百顆NAND FLASH晶片。晶片未封裝前的晶粒成為Die，它是從Wafer上用鐳射切割而成的小片，每個Die就是一個獨立的功能晶片，它由無數個電晶體電路組成，但最終可被作為一個單位封裝起來成為快閃記憶體顆粒晶片。下面是NAND Flash晶片的詳細加工過程。


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      NAND Flash的容量結構從大到小可以分為Device、Target、LUN、Plane、Block、Page、Cell。一個Device有若干個Die(或者叫LUN)，每個Die有若干個Plane，每個Plane有若干個Block，每個Block有若干個Page，每個Page對應著一個Wordline。

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      Die/LUN是接收和執行FLASH命令的基本單元。不同的LUN可以同時接收和執行不同的命令。但在一個LUN當中，一次只能執行一個命令，不能對其中的某個Page寫的同時又對其他Page進行讀訪問。下面詳解介紹下這些結構單元和之間的聯絡。


  • Device就是指單片NAND Flash，對外提供Package封裝的晶片，通常包含1個或多個Target；

  • Target擁有獨立片選的單元，可以單獨定址，通常包含1或多個LUN；LUN也就是Die，能夠獨立封裝的最新物理單元，通常包含多個plane。

  • Plane擁有獨立的Page暫存器，通常LUN包含1K或2K個奇數Block或偶數Block；

  • Block是能夠執行擦除操作的最小單元，通常由多個Page組成；Page是能夠執行程式設計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，對應一個浮柵電晶體，可以儲存1bit或多bit資料，主要可顆粒型別。


      下圖是一個FLASH Block的組織架構，每個Cell的漏極對應BL(Bitline)，柵極對應WL(Wordline)，源極都連在一起。每個Page對應著一個Wordline，通過Wordline加不同電壓和不同時間長度進行各種操作。


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      一個WordLine對應著一個或若干個Page，對SLC來說一個WordLine對應一個Page；而對MLC來說則對應2個Page(Lower Page 和Upper Page)；Page的大小與WordLine上儲存單元(Cell)數量對應。


      Data Retention(資料儲存力)是用於衡量寫入NAND Flash的資料能夠不失真保時間的可靠性指標，一般定義為在一定的溫度條件下，資料在使用ECC糾錯之後不失真儲存在NAND Flash中的時間；影響Data Retention 最大的兩個因素是擦寫次數和儲存溫度。通常情況下企業級SSD盤的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218標準，即40℃室溫下，100%的PE Cycle之後，在下電的情況Data Retention時間要求達到3個月。


      NAND Flash寫入前必須擦除， Block擦除1次後再寫入1次稱為1次PE Cycle，Endurance (耐久性)用於衡量NAND Flash的擦寫壽命的可靠性指標；Endurance指的是在一定的測試條件下NAND Flash能夠反覆擦寫資料的能力，即對應NAND Flash的PE (Program/Erase) Cycle。


      Bit Error Rate(BER)指由於NAND Flash顆粒概率發生Bit位翻轉導致的錯誤，其中，RBER (Raw Bit Error Rate)指沒有經過ECC糾錯時出現一個Bit位發生錯誤的機率，RBER也是衡量NAND品質的一項指標。RBER是NAND自身品質的一個特性，隨著PE次數的增加會變差，出錯趨勢呈指數分佈，其主要原因是擦寫造成了浮柵氧化層的磨損。


      UBER(Uncorrectable Bit Error Rate)指發生不可糾正ECC錯誤的機率，即一個糾錯單元Codeword內發生bit位翻轉的位數超出ECC演算法可糾能力範圍的機率。   

 

      DWPD(Diskful Writes Per Day)指每日寫入量。SSD的成本($/GB)隨DWPD增加會變高，未來SSD的趨勢預測讀密集型當前已佔50%，未來的佔比會逐漸變大。

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      NAND Flash的壽命不等於SSD的壽命；SSD盤可以通過多種技術手段從整體上提升SSD的壽命，通過不同的技術手段，SSD盤的壽命可以比NAND Flash宣稱壽命提升20%~2000%不等。

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      SSD的壽命不等於NAND Flash的壽命。NAND Flash的壽命主要通過P/E cycle來表徵。SSD由多個Flash顆粒組成，通過碟片演算法，可有效發揮顆粒壽命。影響SSD盤使用壽命關鍵因素主要包括下面因素。


  • 每年寫入資料量，和客戶的業務場景強相關；

  • 單個Flash顆粒壽命， 不同顆粒的P/E Cycle不同

  • 資料糾錯演算法，更強糾錯能力延長顆粒可用壽命

  • 磨損均衡演算法，避免擦寫不均衡導致擦寫次數超過顆粒壽命

  • Over Provisioning佔比，隨著OP(預留空間)的增加SSD磁碟的壽命會得到提高。

 

      作為快閃記憶體開發、設計和從業人員而言，必須與時俱進，緊跟新技術步伐。關於SSD、快閃記憶體、NVMe和SCM技術想做進一步瞭解，請參看“快閃記憶體技術、產品和發展趨勢全面解析”資料，目錄詳情如下。0?wx_fmt=png

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