通過(guò)時(shí)序圖看出，上面有很多時(shí)間參數(shù)，在設(shè)置Nand flash控制器的時(shí)候，需要確認(rèn)這些時(shí)間參數(shù)是否在合適的范圍內(nèi)，對(duì)于控制命令都是通過(guò)上面的幾個(gè)基礎(chǔ)命令組合而來(lái)。 Flash的基本特性

Data Retention(數(shù)據(jù)保存力)是用于衡量寫(xiě)入NAND Flash的數(shù)據(jù)能夠不失真保時(shí)間的可靠性指標(biāo)，一般定義為在一定的溫度條件下，數(shù)據(jù)在使用ECC糾錯(cuò)之后不失真保存在NAND Flash中的時(shí)間；影響Data Retention最大的兩個(gè)因素是擦寫(xiě)次數(shù)和存儲(chǔ)溫度，通常情況下企業(yè)級(jí)SSD盤(pán)的Data Retention都是遵循JEDEC的JESD218標(biāo)準(zhǔn)，即40°C室溫下，100%的PE Cycle之后，在下電的情況下Data Retention時(shí)間要求達(dá)到3個(gè)月。

Nand Flash寫(xiě)入前必須擦除，Block擦除1次之后再寫(xiě)入1次稱(chēng)為1次PE Cycle，Endurance(耐用性)用于衡量NAND Flash的擦寫(xiě)壽命的可靠性指標(biāo)；Endurance指的是在一定的測(cè)試條件下NAND Flash能夠反復(fù)擦寫(xiě)數(shù)據(jù)的能力，即對(duì)應(yīng)NAND Flash的PE（Program/Erase）Cycle。

Bit Error Rate（BER）指由于NAND Flash顆粒概率發(fā)生Bit位翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的錯(cuò)誤，其中，RBER(Raw Bit Error Rate)指沒(méi)有經(jīng)過(guò)ECC糾錯(cuò)時(shí)出現(xiàn)一個(gè)Bit位發(fā)生錯(cuò)誤的幾率，RBER也是衡量NAND品質(zhì)的一項(xiàng)指標(biāo)。RBER是NAND自身品質(zhì)的一個(gè)特性，隨著PE次數(shù)的增加會(huì)變差，出現(xiàn)趨勢(shì)呈指數(shù)分布，其主要原因是擦寫(xiě)造成了浮柵氧化層的磨損。

UBER（Uncorrectable Bit Error Rate）指發(fā)生不可糾正ECC錯(cuò)誤的幾率，即一個(gè)糾錯(cuò)單元Codeword內(nèi)發(fā)生bit位翻轉(zhuǎn)的位數(shù)超出ECC算法可糾能力范圍的幾率。

DWPD（Diskful Write Per Day）指每日寫(xiě)入量。SSD的成本隨著DWPD增加而變高，未來(lái)SSD的趨勢(shì)預(yù)測(cè)密集型當(dāng)前已占50%，未來(lái)的占比會(huì)逐漸變大。

Nand Flash的壽命不等于SSD的壽命；SSD盤(pán)可以通過(guò)多種技術(shù)手段從整體上提升SSD的壽命，通過(guò)不同的技術(shù)手段，SSD盤(pán)的壽命可以比NAND Flash宣城壽命提高20%~2000%不等。

• Nand Flash的壽命主要通過(guò)P/E cycle來(lái)表征。SSD由多個(gè)Flash顆粒組成，通過(guò)盤(pán)片算法，可以發(fā)揮有效顆粒壽命。影響SSD盤(pán)使用壽命關(guān)鍵因素主要包括下面因素：每年寫(xiě)入數(shù)據(jù)量，和客戶(hù)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景有關(guān)；
• 單個(gè)Flash顆粒壽命，不同顆粒的P/E cycle不同
• 數(shù)據(jù)糾錯(cuò)算法，更強(qiáng)糾錯(cuò)能力延長(zhǎng)顆粒使用壽命
• 磨損均衡算法，避免擦寫(xiě)不均衡導(dǎo)致擦寫(xiě)次數(shù)超過(guò)顆粒壽命
• Over Provisioning占比，隨著OP（預(yù)留空間）的增加SSD磁盤(pán)的壽命會(huì)得到提高。

Flash的種類(lèi)

Flash通常分為raw nand和spi nand

raw nand TSOP封裝物料實(shí)物圖

spi nand TSOP封裝

對(duì)于常見(jiàn)的Nand Flash所擁有的的引腳（Pin）對(duì)應(yīng)的功能如下：

• I/O0~I/O7：用于輸入地址/數(shù)據(jù)/命令，輸出數(shù)據(jù)
• CLE：Command Latch Enable，命令鎖存使能，在輸入命令之前，要先在模式寄存器中，設(shè)置CLE使能。
• ALE：Address Latch Enable，==地址鎖存使能，在輸入地址之前，要先在模式寄存器中，設(shè)置ALE使能。（地址鎖存是由于數(shù)據(jù)和地址是復(fù)用同一些信號(hào)線(xiàn)或引腳的，一般來(lái)講是由于工藝的要求，盡量節(jié)省成本和開(kāi)支，那么在同一個(gè)引腳上就會(huì)出現(xiàn)兩種信息：地址和數(shù)據(jù)，可處理器讀的時(shí)候并不知道什么時(shí)候是地址，什么時(shí)候是數(shù)據(jù)，因此，需要一些專(zhuān)用的芯片把它們分開(kāi)，用一些專(zhuān)用的信號(hào)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)來(lái)區(qū)分這些信號(hào)，這就叫地址鎖存）
• CE#：Chip Enanle，芯片使能，在操作Nand Flash之前，要先選中此芯片，才能操作。
• RE#：Read Enable，讀使能，在讀取數(shù)據(jù)之前，要先使CE#有效。
• WE#：Write Enable，寫(xiě)使能，在寫(xiě)取數(shù)據(jù)之前，要先使WE#有效。
• WP#：Write Protect，寫(xiě)保護(hù)。
• R/B#：Ready/Busy/Output，就緒/忙，主要用于在發(fā)送編程/擦除命令后，檢測(cè)這些操作是否完成，忙，表示編程/擦除操作仍在進(jìn)行中，就緒表示操作完成。
• Vcc：Power 電源
• Vss：Ground 接地
• N.C：Non-Connection，未定義，未連接。
• 【小常識(shí)】在數(shù)據(jù)手冊(cè)中，對(duì)于一些引腳的定義，有些字母上面帶一橫杠，那是說(shuō)明此引腳/信號(hào)是低電平有效。
• 【為何需要ALE和CLE】地址鎖存和數(shù)據(jù)鎖存命令的設(shè)計(jì)是為了方便控制器區(qū)分當(dāng)前I/O引腳輸入的是數(shù)據(jù)還是命令，因?yàn)镹and Flash只有8個(gè)I/O，而且是復(fù)用，可以傳數(shù)據(jù)也可以傳命令。因此設(shè)計(jì)ALE與CLE引腳使能控制器做相應(yīng)功能處理
• 【Nand Flash只有8個(gè)I/O引腳的好處】使用I/O復(fù)用可以減少芯片接口，也意味著使用此芯片的相關(guān)的外圍電路會(huì)更加簡(jiǎn)化，避免繁瑣的硬件連線(xiàn)。使用統(tǒng)一的8個(gè)I/O引腳的Nand Flash使用統(tǒng)一的接口、同樣的時(shí)序、同樣的命令，不會(huì)因?yàn)樾酒拇笮〉母淖兓蚱渌兓绊?。這樣提高了系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

Nand Flash的特殊硬件結(jié)構(gòu)

1、需要先擦除才能寫(xiě)入。Nand Flash可以讀寫(xiě)一個(gè)Page，但是必須要以Block大小進(jìn)行擦除。擦除操作就是讓塊中所有的bit變成1，從一個(gè)干凈的“已擦除”狀態(tài)的Block重新開(kāi)始，當(dāng)里面的頁(yè)變成0后，只有擦除整個(gè)塊才能讓這個(gè)頁(yè)變成1.為了盡量減少擦除的次數(shù)，成熟的管理技術(shù)必不可少。

2、讀、寫(xiě)干擾。Nand Flash的電荷非常不穩(wěn)定，在讀/寫(xiě)中很容易對(duì)相鄰的單元造成干擾，干擾后會(huì)讓附近單元的電荷脫離實(shí)際的邏輯數(shù)值，造成bit出錯(cuò)，因?yàn)殚撝到咏年P(guān)系，MLC相對(duì)SLC來(lái)說(shuō)更容易受到干擾。讀取干擾指的是在讀取某個(gè)page時(shí)，鄰近的bit會(huì)受到升高電壓的干擾，造成bit出錯(cuò)。寫(xiě)入干擾指的是，某個(gè)page在寫(xiě)入時(shí)，鄰近bit的電壓也被升高了，造成bit出錯(cuò)。相對(duì)寫(xiě)入干擾來(lái)說(shuō)，讀取干擾明顯小的多。在讀/寫(xiě)干擾中，可能造成某些bit被改變，結(jié)果造成數(shù)據(jù)出錯(cuò)。所以需要在返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)前，用ECC/EDC算法來(lái)糾正這些bit的錯(cuò)誤。隨著閃存工藝的提升，同樣大小的晶片上被封裝入更多的單元，造成告饒?jiān)絹?lái)越厲害，所以需要更強(qiáng)大的ECC/EDC來(lái)糾正bit。

3、數(shù)據(jù)保存期限。數(shù)據(jù)保存期指的是當(dāng)完全斷電后，數(shù)據(jù)能在NAND Flash中保存多久。NAND單元必須保存一個(gè)穩(wěn)定的電壓水平，來(lái)保證數(shù)據(jù)是有效的。典型的SLC一般為20年。電荷從懸浮門(mén)里漏出，這叫做電子遷移，當(dāng)隨著時(shí)間的流逝，電核泄漏到一定程度，改變了NAND單元里懸浮門(mén)的電壓對(duì)應(yīng)的邏輯值，這樣就造成了bit出錯(cuò)。數(shù)據(jù)保存期會(huì)隨著擦寫(xiě)次數(shù)的增加而明顯降低，MLC的數(shù)據(jù)保存期明顯會(huì)比SLC少，而且更容易被 干擾。

4、壞塊。Nand Flash中有兩種壞塊類(lèi)型：出廠壞塊，由于為了保證量產(chǎn)和控制成本，出廠的Nand Flash某些就會(huì)有壞塊，廠商保證SLC出廠壞塊低于2%，MLC出廠壞塊低于5%。積累壞塊，在多次的寫(xiě)入/擦除循環(huán)中，某些Nand單元的電荷電壓被永久性的改變了，那就意味著包含這個(gè)Nand單元不再可用。所以固態(tài)硬盤(pán)需要有壞塊管理才能使用，主控制器用壞塊表來(lái)映射出廠壞塊和積累壞塊到壞塊區(qū)內(nèi)，出廠時(shí)，顆粒的第一個(gè)塊Block 0廠商會(huì)保證是可用的。（至少ECC后可用）

5、擦寫(xiě)次數(shù)限制。造成nand flash有擦寫(xiě)次數(shù)限制的主要有2個(gè)因素，電荷被困在氧化層，不能進(jìn)入懸浮門(mén)；或是氧化層結(jié)構(gòu)被破壞。

如圖，一旦氧化層損壞到達(dá)一定程度，造成電荷越來(lái)越難在P-substrate和懸浮門(mén)之間交流。電荷被困在氧化層造成懸浮門(mén)中的電壓到達(dá)不了閾值，所以說(shuō)這個(gè)NAND單元就要被放入壞塊區(qū)了。當(dāng)前主流SLC的P/E為10萬(wàn)次，50nm MLC為1萬(wàn)次，3xnm的MLC為5000次。到了這個(gè)數(shù)值并不意味著不能使用了，這只是代表平均壽命，也就是說(shuō)到了這個(gè)數(shù)值后，壞塊會(huì)開(kāi)始大量增加。隨著工藝的提升，ECC的要求越來(lái)越高，50nm的SLC顆粒，三星對(duì)頂1bit ECC的就夠了，而50nm MLC需要4bit ECC，到了3xnm要求達(dá)到24bit ECC。

ECC

影響Nand Flash穩(wěn)定性和耐久度的一個(gè)主要因素就是ECC能力，目前最常用的三種算法是：

• Reed-Solomon
• Hamming
• BCH（Bose,Ray-Chauduri,Hocquenhem）
  不管是任何ECC算法，任何主控，檢測(cè)錯(cuò)誤的方式都是相同的：

不管是任何ECC算法，任何主控，檢測(cè)錯(cuò)誤的方式都是相同的：

• 1、每當(dāng)一個(gè)Page寫(xiě)入Nand Flash，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)ECC引擎，創(chuàng)造獨(dú)特的ECC簽名。
• 2、數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的ECC簽名都存放在Nand Flash里，數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)區(qū)，ECC簽名存放在SA區(qū)。
• 3、當(dāng)需要讀取數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)和ECC簽名一起被送往主控制器，此時(shí)新的ECC簽名被生成。
• 4、此時(shí)主控把2個(gè)簽名對(duì)照，如果簽名相同，說(shuō)明數(shù)據(jù)沒(méi)有錯(cuò)誤，數(shù)據(jù)就會(huì)被送往主機(jī)。如果簽名不同，數(shù)據(jù)就會(huì)先放在主控里，而不是直接送往主機(jī)。

某些主控會(huì)把改正后的數(shù)據(jù)再次回寫(xiě)閃存，另一些則不會(huì)，因?yàn)檎l(shuí)也不知道下次讀取會(huì)不會(huì)再出錯(cuò)。ECC的能力直接關(guān)系到Nand Flash的耐久度，數(shù)據(jù)保存期。當(dāng)Nand Flash的P/E數(shù)到了之后，錯(cuò)誤數(shù)會(huì)越來(lái)越多，ECC弱的直接就報(bào)壞塊并標(biāo)記退休，如果ECC能力足夠強(qiáng)，就能夠挖掘出Flash的所有潛力。

閃存內(nèi)部原理

閃存的內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)是金屬-氧化物-半導(dǎo)體-場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）:源極、漏極和柵極，其工作原理與場(chǎng)效應(yīng)管類(lèi)似，都是電壓利用控制源極和漏極之間的通斷。閃存是雙柵極結(jié)構(gòu)，在柵極和硅襯底之間還有一個(gè)浮置柵極，浮置柵極是有氮化物夾在二氧化硅材料之間構(gòu)成。

對(duì)閃存單元的編程：控制柵極去充電，對(duì)柵極加壓，使得浮置柵極存儲(chǔ)的電荷越多，超過(guò)閾值，就表示0；對(duì)閃存單元的擦除，即對(duì)浮置柵極進(jìn)行放電，低于閾值，就表示1。

NAND Flash發(fā)展歷程

• 誕生階段（20 世紀(jì) 80 年代）：

1987 年，時(shí)任日本東芝公司工程師岡本成之提出了 2D NAND 技術(shù)，這是 NAND Flash 的起源。當(dāng)時(shí)，東芝雖然占據(jù)了市場(chǎng)先機(jī)，但戰(zhàn)略重心偏向 DRAM 市場(chǎng)，一定程度上忽略了 NAND Flash 的發(fā)展?jié)摿?。隨后，英特爾和三星等公司也迅速加入該領(lǐng)域，推出了自己的 2D NAND 產(chǎn)品。在這一階段，NAND Flash 主要應(yīng)用于一些特定的電子設(shè)備，如數(shù)字電話(huà)答錄機(jī)等。

• 小型閃存卡興起階段（20 世紀(jì) 90 年代 - 21 世紀(jì)初）：

隨著數(shù)碼攝影的普及，一系列小型閃存卡應(yīng)運(yùn)而生，包括 PCMCIA（PC 卡）、CompactFlash、SmartMedia、MultiMediaCard（MMC）和 SecureDigital（SD）卡等，這些小型閃存卡的存儲(chǔ)介質(zhì)主要是 NAND Flash。這使得 NAND Flash 的應(yīng)用范圍得到了極大的擴(kuò)展，市場(chǎng)需求也開(kāi)始快速增長(zhǎng)。

• 市場(chǎng)擴(kuò)張階段（21 世紀(jì)初 - 2010 年代）：

隨著 NAND Flash 成本的不斷降低，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。從數(shù)碼相機(jī)擴(kuò)展到了 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而取代了軟盤(pán)和可寫(xiě) CD 等傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備。同時(shí)，音頻播放設(shè)備從傳統(tǒng)的磁帶和 CD 播放器轉(zhuǎn)變?yōu)?MP3 播放器，也推動(dòng)了 NAND Flash 的需求增長(zhǎng)。在這一時(shí)期，NAND Flash 逐漸成為了主流的存儲(chǔ)技術(shù)之一，市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大。

• 3D NAND 技術(shù)發(fā)展階段（2010 年代 - 至今）：

技術(shù)概念

提出 2007 年，東芝推出 BICS 類(lèi)型的 3D NAND，標(biāo)志著 NAND Flash技術(shù)從二維平面堆疊向三維立體堆疊的轉(zhuǎn)變。這種技術(shù)通過(guò)在垂直方向上堆疊存儲(chǔ)單元，大大提高了存儲(chǔ)密度，為 NAND Flash的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的方向。

商業(yè)化量產(chǎn)

2013 年，三星推出第一代 V-NAND（三星自稱(chēng) 3D NAND 為 V-NAND）閃存并投入量產(chǎn)，雖然該款堆疊層數(shù)僅為

24 層，但在當(dāng)時(shí)卻打破了平面技術(shù)的瓶頸，并使 3D NAND 從技術(shù)概念推向了商業(yè)市場(chǎng)。

層數(shù)不斷增加

從 2014 年開(kāi)始，各大廠商紛紛推出更高層數(shù)的 3D NAND 產(chǎn)品。例如，三星陸續(xù)推出了 32 層、48 層、64層、96 層、128 層、176 層等不同層數(shù)的 V-NAND；SK 海力士按照 48 層、72 層 / 76 層、96 層、128 層、176 層、238 層的順序陸續(xù)推出閃存新產(chǎn)品；美光也在不斷提高其 3D NAND 的層數(shù)。

技術(shù)持續(xù)演進(jìn)

在 3D NAND 技術(shù)發(fā)展的過(guò)程中，廠商們還在不斷改進(jìn)和優(yōu)化技術(shù)，以提高存儲(chǔ)性能、降低成本。例如，長(zhǎng)江存儲(chǔ)自研出了Xtacking 架構(gòu)，大幅度提高了存儲(chǔ)密度。