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NAND闪存发展历程一
新闻来源:    点击数:1    更新时间:2011-05-05 11:21:44    收藏此页

从NAND闪存单元持续微缩的进化改变,到支持日益先进设计的各种性能增强创新,本文记录了从2006年到2011年初NAND技术的发展历程。
 
一、市场变化
 
2006年,SLC(单层单元)NAND闪存设备是市场上的主流产品,至少占据了市场80%的份额。当时,很多NAND闪存厂商已致力于向MLC(多层单元)发展,SLC闪存密度均在短短数千兆字节的范围。而如今,像美光生产的一系列NAND闪存产品的单一设备密度已经提升到了512Gb。
 
数值较高的是MLC闪存,取代SLC闪存占据了全部市场近80%的份额。16层单元技术在2010上增长了几个百分点,预计在2011年将下降为0%,这是由于将16个离散的阀值可靠地置于单一单元中是比较困难的。8LC闪存每个单元可以存储3位数据,预计在2011年底会从2009年初的不到10%增长到30%。这种闪存是出于对价格考虑的消费产品,所以在性能和操作周期(可也理解为耐用性)方面不做太高要求。传统的MLC闪存每个单元可存储两位数据,对于有着高性能和耐用性要求的应用来说比较理想。因此,MLC在很大程度上决定着NAND闪存的出货量。而SLC则是高性能、高耐用性和高可靠性应用的首选技术。
 
除了早期的驱动程序如闪存卡和USB拇指驱动外,预计其它消费应用的设计也会基于该技术。
 
二、阵列增强
 
随着NAND闪存单元的持续微缩,其阵列已经变得非常紧凑,使得在相同的晶片面积上能够集成更多的单元。
 
2Gb的SLC闪存是2006年的主流产品,由2048个存储块组成,每个块包含64页,每页包含2112个字节。相比之下,今天的大容量闪存(图4)可以包含多个晶片或逻辑单元(LUN)。每个32Gb SLC晶片具有4096个存储块,每个存储块包含128页,每页包含的字节数提高到8640,而硅面积却只是稍大于2006年的2Gb闪存。如果将备用区支持额外纠错码(ECC)的因素也算在内,闪存密度就将达到原来的16倍。
 
首先来关注SLC NAND闪存,编程时间(tPROG)一直相对稳定地保持在300μs左右,但编程的数据量(页面大小)有所增加,从2006年的2112字节增长到最新25nm产品的8640字节。页面大小的增加致使整体阵列编程性能提升了四倍。
 
大部分的NAND制造商已开始实施所谓的多平面技术。从本质上讲,多平面操作可以在几乎相同的时间内完成两倍的阵列数据操作,指令的细节将会在后面讨论。而2006年的SLC闪存均采用单平面技术。
 
2009年SLC页面数从64增长到128,使阵列更加高效的同时也产生了增大存储块的负面影响,为闪存文件系统的管理带来了挑战,特别是在处理较小数据文件的时候。阵列的读取时间(tR)依旧非常快并保持稳定,这要得益于大多数高性能的读操作。
 
ECC、NOP指令和耐用性作为一组来讨论,是因为这三个因素都与NAND单元的健壮性有关。随着NAND单元持续的微缩发展,为存储数据的可靠性带来了挑战。作为补偿,对ECC的需求量逐渐增加。早期SLC NAND闪存可以达到10万数据只有一位需要进行ECC操作的耐用性。这些相同的闪存也可以支持8个NOP指令,但后来减少到4个来满足原先每块64页、每页2112字节、通常包含4个528字节分区的NAND闪存。为了保存竞争力,NAND闪存必须在几何上变得更小,同时还要保持一个可以接受的系统错误率,这就需要将高层次ECC、更少的NOP指令数或较低的耐用性相结合。
 
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