闪存物理结构,闪存器件原理

闪存物理结构

闪存器件原理

前文已经讲过了固态硬盘的发展史，曾经的固态硬盘有过RAM等介质，但是目前绝大多数固态硬盘都是以闪存芯片为存储介质的。DRAM固态硬盘我们见得少，主要应用于特殊的场合。1978年诞生的世界上第一块固态硬盘就是基于DRAM的。但由于DRAM掉电易失性，当然还有成本因素，现在的固态硬盘一般都不用DRAM，而是使用闪存作为存储介质，并且是NAND 闪存。固态硬盘的工作原理很多也都是基于闪存特性的。比如，闪存在写之前必须先擦除，不能覆盖写，于是固态硬盘才需要垃圾回收（Garbage Collection，或者叫 Recycle）；闪存每个块（Block）擦写次数达到一定值，这个块要么变成坏块，要么存储在上面的数据不可靠，所以固态硬盘固件必须做磨损平衡，让数据平均写在所有块上，而不是盯着几个块拼命写（不然很快固态硬盘就报废了）。还有类似很多例子，固态硬盘内部很多算法都是在为闪存服务的。所以，欲攻固态硬盘，闪存首当其冲。

闪存是一种非易失性存储器，也就是说，掉电了，数据也不会丢失。闪存基本存储单元 (Cell) 是一种类NMOS的双层浮栅 (Floating Gate) MOS管组成，如图3-1所示：

图3-1 浮栅晶体管结构

在源极(Source)和漏极(Drain)之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮栅，浮栅上下被绝缘层所包围，存储在里面的电子不会因为掉电而消失，所以闪存是非易失存储器。

写操作是在控制极加正电压，使电子通过绝缘层进入浮栅极。擦除操作正好相反，是在衬底加正电压，把电子从浮栅极中吸出来,如图3-2所示：

图3-2 左：写原理；右：擦除原理

在2014年的闪存峰会上，浮栅晶体管的发明人施敏（Dr.Simon Sze）被授予终身成就奖，以表彰他发明了浮栅极晶体管。据说，浮栅极晶体管的发明灵感是这样来的：有天，施敏和搭档Dawon Kahng在公司的食堂一起吃午餐，饭后甜点是奶酪蛋糕。看着夹心蛋糕，他们在想，如果在MOS场效应管中间加个东西，会怎样呢？于是，浮栅晶体管横空出世。截至2014年某个时间点，据统计，全世界生产的浮栅晶体管数目达1 074 344 929 692 350 000 000

这个数字还在继续增长着。阿呆觉得终身成就奖不够，施敏应该获得诺贝尔奖，毕竟机械硬盘机理——巨磁阻效应的发现人已经获得了诺贝尔奖。

获奖后，施敏在庆功宴上，为自己点了一份奶酪蛋糕。

SLC，MLC，TLC

一个存储单元存储1比特数据的闪存，我们叫它为SLC (Single Level Cell)，2比特为MLC (Multiple Level Cell) ，3比特为TLC (Triple Level Cell)。现在已经有厂商在研发QLC，即一个存储单元存储4比特数据，本书不做介绍。

图3-3 SLC，MLC，TLC原理

对SLC来说，一个存储单元存储两种状态，浮栅极里面的电子多于某个参考值的时候，我们把它采样为0，否则，就判为1。

图3-4是闪存芯片里面存储单元的阈值电压分布函数，横轴是阈值电压，纵轴是存储单元数量。其实在0或1的时候，并非所有的存储单元都是同样的阈值电压，而是以这个电压为中心的一个分布。读的时候采样电压值，落在1范围里面，就认为是1；落在0范围里面，就认为是是0。

擦除之后，闪存读出来的值为1，充过电之后，就是0。所以，如果需要写1，就啥都不用干，写0，就需要充电到0。

图1-4 SLC电压分布（来源：Inside NAND Flash Memory）

对MLC来说，如果一个存储单元存储4个状态，那么它只能存储2比特的数据。通俗来说就是把浮栅极里面的电子个数进行一个划分，比如低于10个电子，判为0；11-20个电子，判为1；21-30，判为2；多于30个电子，判为3。

图1-5 MLC电压分布（来源：Inside NAND Flash Memory）

依次类推TLC，若是一个存储单元有8个状态，那么它可以存储3比特的数据，它在MLC的基础上对浮栅极里面的电子数又进一步进行了划分。

图1-6 TLC电压分布（来源：Inside NAND Flash Memory）

同样面积的一个存储单元，SLC，MLC和TLC，分别可以存储1，2，3 比特的数据，所以在同样面积的DIE上，闪存容量依次变大。

但同时，一个存储单元电子划分的越多，那么在写入的时候，控制进入浮栅极的电子个数就要越精细，所以写耗费的时间就越长；同样的，读的时候，需要尝试用不同的参考电压去读取，一定程度上加长读取时间。所以我们会看到在性能上，TLC不如MLC，MLC不如SLC。

下表所示是SLC，MLC和TLC在性能和寿命（Endurance）上的一个直观对比

（不同制程和不同厂家的闪存，参数不尽相同，数据仅供参考）：

3D TLC逐渐成为主流。同时，QLC也马上要量产了，每个存储单元存储4比特数据，比TLC还要慢，还要不可靠。之前怀疑TLC可靠性的人们，怎么看QLC?