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NAND Flash是如何生產出來的?

      NAND Flash是一種非易失性隨機訪問儲存介質,基於浮柵(Floating Gate)晶體管設計,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,大家可以參考文章閃存技術最全面解析。今天主要討論下NAND Flash生產過程、架構關鍵指標

      NAND Flash是從原始的硅材料加工出來的,硅材料被加工晶圓(Wafer),一片晶圓上可以做出幾百顆NAND FLASH芯片。芯片未封裝前的晶粒成為Die,它是從Wafer上用激光切割而成的小片,每個Die就是一個獨立的功能芯片,它由無數個晶體管電路組成,但最終可被作為一個單位封裝起來成為閃存顆粒芯片。下麵是NAND Flash芯片的詳細加工過程。


 

 

      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

      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。下麵詳解介紹下這些結構單元和之間的聯繫。

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

  • Target擁有獨立片選的單元,可以單獨尋址,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是能夠執行編程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,對應一個浮柵晶體管,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。

      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 CycleEndurance (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位發生錯誤的幾率,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錯誤的幾率,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幾率。   

 

      DWPD(Diskful Writes Per Day)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占50%,未來的占比會逐漸變大。

      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。

      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,通過盤片演算法,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麵因素。


  • 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占比,隨著OP(預留空間)的增加SSD磁盤的壽命會得到提高。

 

      作為閃存開發、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、閃存、NVMe和SCM技術想做進一步瞭解,請參看“閃存技術、產品和發展趨勢全面解析”資料,目錄詳情如下。

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