SSD工作原理和基础知识（二）—- NAND闪存

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一、什么是NAND闪存

NAND 闪存是一种非易失性存储器，不需要常规电源即可工作和保留数据。它的主要目标是非常快速地从内存读取和写入数据，并最大限度地利用其存储容量来存储数据、大数据并降低成本。

二、NAND 闪存的基本结构和组成

NAND Flash的基本结构和组成可以分为多个层次，从最小的存储单元到整个芯片。以下是详细的分解：

基本存储单元（Cell）

• 浮动栅晶体管（Floating Gate Transistor）：每个存储单元是一个浮动栅晶体管，通过控制浮动栅上的电荷来存储数据。浮动栅被绝缘层包围，电荷不会轻易泄漏1。

页（Page）

• 页（Page）：是NAND Flash中最小的编程和读取单位。一个页通常包含几千个字节的数据区和一个较小的备用区，用于存储ECC（错误校正码）和其他元数据2。

块（Block）

• 块（Block）：由多个页组成，是NAND Flash中最小的擦除单位。一个块通常包含64到256个页3。

平面（Plane）

• 平面（Plane）：由多个块组成。一个NAND Flash芯片通常有多个平面，以提高并行操作的效率4。

晶圆（Die）

• 晶圆（Die）：是NAND Flash的基本物理单元，每个晶圆包含一个或多个平面。多个晶圆可以封装在一个芯片中5。

芯片（Chip）

• 芯片（Chip）：是最终的封装单元，包含一个或多个晶圆。芯片通过接口与外部设备通信，执行读写和擦除操作5。

结构

1. Cell：基本存储单元，通过浮动栅晶体管存储数据。
2. Page：多个Cell组成一个Page，是最小的编程和读取单位。
3. Block：多个Page组成一个Block，是最小的擦除单位。
4. Plane：多个Block组成一个Plane。
5. Die：多个Plane组成一个Die。
6. Chip：多个Die封装在一个Chip中。

二、NAND闪存的类型及其特点和应用场景

1. SLC (Single-Level Cell)

特点：每个存储单元只能存储1比特数据（0或1），因此读取和写入速度最快，误码率最低，寿命最长（通常可达100,000 P/E循环）。=======（关于读取和写入速度为什么最快，需要补充数据写入和读取的过程相关内容）
应用场景：由于其高速度和高耐久性，SLC通常用于企业级存储设备、高性能计算（HPC）系统、军事应用和其他需要高度可靠性的领域。

2. MLC (Multi-Level Cell)

3. TLC (Triple-Level Cell)

4. QLC (Quad-Level Cell)

5. 3D NAND

Vertically stacked cells to increase data storage density without increasing the material cost. 3D NAND or V-NAND comes in MLC, TLC and QLC technology, except for SLC, providing an increase in performance, endurance & more

三、擦写读操作

3.1 擦

最小的擦除单位为：块（block）,擦除的本质就是把浮栅极里面的电子清空。清空原理待补充，也可自行翻阅资料。

如何确保擦除成功？闪存内部存在一个验证过程，即读取这些存储单元，看他们是否都处于

四、NAND闪存的耐久性（P/E循环）

P(Program)/E(Erase Cycle)循环：指的是闪存单元在“编程-擦除”操作之间能承受的次数。每次擦除都会对闪存单元造成一定的磨损，随着P/E循环次数的增加，闪存单元的寿命会逐渐减少。

Q:思考，为什么每个存储单元存储的比特数据越小，P/E循环次数越高呢？

五、磨损均衡技术

磨损均衡（Wear Leveling）：是一种通过均匀地使用闪存的所有单元来延长其使用寿命的技术。磨损均衡分为两种主要类型：

1. 静态磨损均衡（Static Wear Leveling）：即使某些闪存块处于非活动状态，控制器也会定期将数据移动到这些不常使用的块中，以均衡所有块的P/E循环。

2. 动态磨损均衡（Dynamic Wear Leveling）：在写入数据时，控制器会优先选择P/E循环次数较少的块，以确保磨损尽可能平均。

磨损均衡技术是延长SSD寿命的重要手段，尤其在使用寿命较低的TLC和QLC闪存时更为关键。

计算机 – NAND 闪存 (tutorialspoint.com)

NAND Flash理解-基础概念和结构（一）-CSDN博客

Flash(NandFlash&NorFlash)基本原理_nand flash和nor flash原理-CSDN博客

https://www.cnblogs.com/flashapplication/p/NandFlashBase.html

https://www.eefocus.com/article/1745880.html

注：本文部分内容借助Chat-GPT和Copilot