必看“芯”知識：SSD NAND Flash型別及主流廠商詳情合集

SSD的效能不單取決於主控，快閃記憶體顆粒也會影響SSD的實際效能，並且快閃記憶體的質量也會影響SSD的速度、效能和使用壽命。

所以使用者購買SSD時，為避免踩坑，有必要深入瞭解下SSD快閃記憶體顆粒即NAND Flash的相關知識。

一、Nand Flash基本概念

NAND Flash全名為Flash Memory，屬於非易失性儲存裝置(Non-volatile Memory Device)，

基於浮柵（Floating Gate）電晶體設計，透過浮柵來鎖存電荷，由於浮柵是電隔離的，所以即使在去除電壓之後，到達柵極的電子也會被捕獲。這就是快閃記憶體非易失性的原理所在。資料儲存在這類裝置中，即使斷電也不會丟失。

與具有固定閾值電壓的常規 MOSFET 不同，FGMOS 的閾值電壓取決於儲存在浮柵中的電荷量，電荷越多，閾值電壓越高。與常規 MOSFET 類似，當施加到控制柵極的電壓高於閾值電壓時，FGMOS 開始導通。因此，透過測量其閾值電壓並將其與固定電壓電平進行比較來識別儲存在 FGMOS 中的資訊，被稱為快閃記憶體中的讀操作。

SSD使用者的資料全部儲存於NAND快閃記憶體裡，它是SSD的儲存媒介，也是成本最高的部分。

NAND Flash是目前快閃記憶體中最主要的產品，具備非易失、高密度、低成本的優勢。被廣泛用於 eMMC/eMCP，隨身碟，SSD等市場。

儲存型別

NAND Flash快閃記憶體的主要分類以NAND快閃記憶體顆粒的技術為主，

NAND快閃記憶體顆粒根據儲存原理分為SLC、MLC、TLC和QLC四類，

分別是：

SLC（英文全稱(Single-Level Cell——SLC)即單層式儲存

SLC技術特點是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄，在寫入資料時透過對浮置閘極的電荷加電壓，然後透過源極，即可將所儲存的電荷消除，透過這樣的方式，便可儲存1個資訊單元，即1bit/cell，

速度快壽命最長，價格貴（約MLC 3倍以上的價格），約10萬次擦寫壽命。

MLC（英文全稱Multi-Level Cell——MLC)即多層式儲存

英特爾（Intel）在1997年9月最先開發成功MLC，其作用是將兩個單位的資訊存入一個Floating Gate（快閃記憶體儲存單元中存放電荷的部分），然後利用不同電位（Level）的電荷，透過記憶體儲存的電壓控制精準讀寫。

即2bit/cell，

速度一般壽命一般，價格一般，約3000---1萬次擦寫壽命。

MLC透過使用大量的電壓等級，每個單元儲存兩位資料，資料密度比較大，可以一次儲存4個以上的值，因此，MLC架構可以有比較好的儲存密度。

TLC（英文全稱Trinary-Level Cell）即三層式儲存

TLC即3bit per cell，每個單元可以存放比MLC多1/2的資料，共八個充電值，即3bit/cell，也有Flash廠家叫8LC，所需訪問時間更長，因此傳輸速度更慢。

TLC優勢價格便宜，每百萬位元組生產成本是最低的，價格便宜，但是壽命短，只有約1000次擦寫壽命。

QLC（英文全稱Quadruple-Level Cell）四層儲存單元

全稱是Quad-Level Cell，四層式儲存單元，即4bits/cell。QLC快閃記憶體顆粒擁有比TLC更高的儲存密度，同時成本上相比TLC更低，

優勢就是可以將容量做的更大，成本壓縮得更低，劣勢就是壽命更短，理論擦寫次數僅150次。

（NAND Flash 四種類型 僅供參考）

PS：每Cell單元儲存資料越多，單位面積容量就越高，但同時導致不同電壓狀態越多，越難控制，所以導致顆粒穩定性越差，壽命低，各有利弊。

（NAND Flash 讀寫壽命 僅供參考）

不難看出，四種類型的NAND快閃記憶體顆粒效能各有不同。SLC單位容量的成本相對於其他型別NAND快閃記憶體顆粒成本更高，但其資料保留時間更長、讀取速度更快；QLC擁有更大的容量和更低的成本，但由於其可靠性低、壽命短等缺點，仍有待後續發展。

從生產成本、讀寫速度和使用壽命三方面來看，四類的排序都是：

SLC>MLC>TLC>QLC；

以120G硬碟為例，我們計算一下使用壽命，假如每天寫入10G資料，各個顆粒按照最低擦寫次數計算，資料如下：

SLC理論壽命=120*100000/10=1200000天=3287。67年

MLC理論壽命=120*3000/10=36000天=986年

TLC理論壽命=120*500/10=6000天=1644年

QLC理論壽命=120*150/10=1800天=493年

從資料上來看QLC的壽命最短，但實際情況是QLC單位儲存密度大，儲存容量也大，按照500G計算理論壽命為20。55年，1T計算則為41年以上，電腦退休了，硬碟都不會壞，買硬碟之前考慮好用途，選擇合適的型別。

目前主流的解決方案為MLC與TLC。

SLC主要針對軍工，企業級應用，有著高速寫入，低出錯率，長耐久度特性。MLC主要針對消費級應用，容量高於SLC2倍，低成本，適合USB閃盤，手機，數碼相機等儲存卡，如今也被大量用於消費級固態硬碟上。

而NAND快閃記憶體根據對應不同的空間結構來看，

這四類技術可又分為2D結構和3D結構兩大類，

浮柵電晶體是主要用於2D FLASH，3D flash主要採用的是CT電晶體，浮柵是半導體，CT是絕緣體，二者在本質和原理上就有區別。其區別在於：

2D結構NAND Flash

2D結構的儲存單元僅佈置在晶片的XY平面中，因而使用2D快閃記憶體技術在同一晶圓中實現更高密度的唯一方法就是縮小製程工藝節點。

其缺點是，對於較小的節點，NAND快閃記憶體中的錯誤更為頻繁；另外，可以使用的最小製程工藝節點存在限制，儲存密度不高。

3D結構NAND Flash

為了提高儲存密度，製造商開發了3D NAND或V-NAND（垂直NAND）技術，該技術將Z平面中的儲存單元堆疊在同一晶圓上。

在3D NAND快閃記憶體中，儲存器單元作為垂直串連線而不是2D NAND中的水平串，以這種方式構建有助於為相同的晶片區域實現高位密度。第一批3D Flash產品有24層。

（2D NAND vs 3D NAND ）

2020年11月12日，美光宣佈已批量出貨全球首款176層3D NAND快閃記憶體，一舉重新整理行業紀錄，實現快閃記憶體產品密度和效能上的重大提升。美光全新的 176 層工藝與先進架構共同促成了此項重大突破，使資料中心、智慧邊緣平臺和移動裝置等一系列儲存應用得以受益，實現效能上的巨大提升。

另一方面，經過五十多年的發展，快閃記憶體的容量增勢迅猛，從GB上升到TB，3D NAND快閃記憶體顆粒技術的實踐使快閃記憶體容量進一步提升，未來有望進一步提升。

（快閃記憶體顆粒容量變化 僅供參考）

二、Nand Flash的加工過程

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)，一般分為6英寸、8英寸、12英寸規格不等，

晶片就是基於這個wafer上生產出來的，一片晶圓可以切割出多少晶片是根據die的大小和wafer的大小以及良率來決定的，通常情況下，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。

（晶片在光刻了電路後，稱之為wafer 僅

一片載有NAND Flash晶圓的wafer，wafer首先經過切割，然後測試，測試通過後，再進行切割、封裝，封裝完成後會再次進行一道檢測。

將完好的、穩定的、足容量的die取下，封裝形成日常所見的Nand 。

在wafer上剩餘的，要麼就是不穩定、要麼就是部分損壞所以不足容量，或者是完全損壞。原廠考慮到質量保證，會將這種die宣佈死亡，嚴格定義為廢品全部報廢處理。

合格的Flash Die原廠封裝工廠會根據需要封裝成eMMC、TSOP、BGA、LGA等產品，但封裝的時候也有不良，或者效能不達標，這些Flash顆粒會再次被過濾掉，透過嚴格的測試確保產品的品質。

（Wafer在切割前需要進行Wafer test 僅

快閃記憶體顆粒製造廠商主要就是以三星、美光、SK 海力士、閃迪、鎧俠等為代表的幾大廠商，

例如三星擁有完整的快閃記憶體顆粒生產線，並且所有顆粒僅裝備於自家產品，小白使用者不想費時間的話，只需在正規渠道，在選擇的時候要認準原廠logo和原廠OEM客戶品牌，購買大品牌即可。

NAND Flash六大原廠：三星(Samsung)、SK海力士（Hynix）、美光（Micron）、鎧俠（原Toshiba）、Intel、閃迪（Sandisk）

三星電子(Samsung)

從製程及產能分析，三星64層NAND Flash自第三季開始量產以來，已經開始應用在移動終端需求及SSD上，並將逐漸擴大應用產品，已開始大規模生產第五代V-NAND，堆疊層數96層，支援Toggle DDR 4。0介面，傳輸速度最高可達1。4Gbps，相比64層V-NAND提升40%。其製造工藝上也做了最佳化，製造生產效率提升30%，後續基於該技術三星還將推出容量高達1Tb容量的V-NAND，新的QLC SSD搭載了32顆晶片，最高容量高達4TB。

SK海力士（Hynix）

1顆SK海力士96層512Gb 3D NAND Flash可取代2顆256Gb 3D NAND Flash，寫入、讀取效能也比72層3D NAND Flash提高30%與25%。由於體積縮小的特點，可用在智慧型手機的晶片封裝。結合用在3D NAND Flash的CTF記憶單元結構與PUC技術是業界創舉。

美光(Micron)

美光推出專注於伺服器的QuantX。從生產出的QLC 新產品5210 ION SSD，到即將推出的大容量、高效能的96層3D NAND技術，美光一直在為市場提供解決方案，並在中國上海、西安等地都設有測試工廠致力於提供給市場更好的SSD解決方案。

鎧俠(Kioxia)

鎧俠BG4容量有128 GB，256 GB，512 GB，1TB，鎧俠是第一家推出採用96層NAND的SSD廠商，BG4將成為第二款開始出貨的96層SSD。鎧俠的BG系列是面向OEM市場的入門級NVMe SSD產品，在消費者中有著不小的關注度。

英特爾(Intel)

在新一代3D NAND方面，英特爾主要生產96層的3D NAND快閃記憶體產品。英特爾傲騰技術將提供卓越效能，具體表現在低延遲、高服務質量、高耐用性、高吞吐率，適用於延遲要求苛刻的關鍵應用。

閃迪（Sandisk）

作為全球領先的快閃記憶體儲存解決方案提供商。SanDisk閃迪領先的快閃記憶體技術和解決方案應用於全球許多大型資料中心內，並嵌入在智慧手機、平板電腦與膝上型電腦中，能夠為智慧手機、平板電腦和PC膝上型電腦裝置提供卓越的資料效能。

（廠商產能部分資料 僅供參考）

在國外NAND Flash主導市場的現狀下，

中國NAND Flash廠商長江儲存（YMTC）異軍突起在市場中佔據一席之地，其推出的128層3D NAND在2020年第1季將128層3D NAND樣品送交儲存控制器廠商，

目標第3季進入投片、量產，擬用於UFS、SSD等各類終端產品，並同時出貨給模組廠，包含TLC以及QLC產品，以擴大客戶基礎。

三、NAND Flash的應用及發展趨勢

NAND Flash作為一種比較實用的固態硬碟儲存介質，有自己的一些物理特性。NAND Flash的壽命不等於SSD的壽命，SSD盤可以透過多種技術手段從整體上提升SSD的壽命，透過不同的技術手段，SSD盤的壽命可以比NAND Flash壽命提升20%~2000%不等。

反過來講SSD的壽命不等於NAND Flash的壽命，NAND Flash的壽命主要透過P/E cycle來表徵，SSD由多個Flash顆粒組成，透過碟片演算法，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：

l 每年寫入資料量，和客戶的業務場景強相關；

l 單個Flash顆粒壽命， 不同顆粒的P/E Cycle不同；

l 資料糾錯演算法，更強糾錯能力延長顆粒可用壽命；

l 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；

l 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。

基於NAND Flash的原理和製造工藝，所有主要的快閃記憶體製造商都積極致力於開發不同的方法，以降低每位元快閃記憶體的成本，同時正在積極研究增加3D NAND Flash中垂直層的數量。

（NAND Flash 架構部分 僅供參考）

（NAND Flash 架構部分 僅供參考）

例如美光的 176 層 NAND 採用緊湊型設計，裸片尺寸比市場最接近同類產品縮小近 30%，是市場上最先進的 NAND技術節點。

與上一代大容量 3D NAND 產品相比，176 層 NAND 將資料讀取和寫入延遲縮短了35%以上，極大地提高了應用的效能，是滿足小尺寸應用需求的理想解決方案。

隨著3D NAND技術的快速發展，QLC技術不斷成熟，QLC產品也已開始陸續出現，可以預見QLC將會取代TLC，猶如TLC取代MLC一樣。而且，隨著3D NAND單die容量不斷翻倍增長，這也將推動消費類SSD向4TB邁進，企業級SSD向8TB升級，QLC SSD將完成TLC SSD未完成的任務，逐漸取代HDD，這些都逐步的影響著NAND Flash市場。

研究統計範圍包括8 Gbit、4Gbit、2Gbit以及其他小於16Gbit的SLC NAND快閃記憶體，產品應用於消費電子產品、物聯網、汽車、工業、通訊和其他相關行業。

國際原廠引領3D NAND 技術發展，在 NAND Flash 市場中，三星、鎧俠（東芝）儲存、美光、SK 海力士、閃迪、英特爾這六家原廠長期壟斷著全球 99％以上的份額。

此外，國際原廠持續引領著3D NAND技術研發，形成了較為厚實的技術壁壘。但各原廠在設計方案上 的差別將會對其產出產生形成一定影響。三星、SK海力士、鎧俠、閃迪已經相繼釋出最新100+層3D NAND產品。

當前階段，NAND Flash 市場的發展主要受到智慧手機和平板電腦需求的驅動。

相對於機械硬碟等傳統儲存介質，採用NAND Flash 晶片的SD 卡、固態硬碟等儲存裝置沒有機械結構，無噪音、壽命長、功耗低、可靠性高、體積小、讀寫速度快、工作溫度範圍廣，是未來大容量儲存的發展方向。隨著大資料時代的到來，NAND Flash 晶片將在未來得到巨大發展。

以上就是關於NAND Flash的基本介紹了，

下一期將會為大家帶來SSD的應用及儲存的相關知識，更多精彩，敬請關注！

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