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新技术带来了什么深入了解3DVNAND技术的优势

发布时间:2020-02-10 18:39:13 阅读: 来源:顶管厂家

更大的容量,更强的性能,更便宜的价格,SSD白菜价的始作俑者,一切看上去都那么美好。一切的一切都要归功于去年10月三星宣布量产的3D堆叠的TLC V-NAND闪存(简称3D V-NAND),3D V-NAND为何物?它究竟能为我们带来什么?今天我们不妨做一个讨论。

3D V-NAND技术

SSD总容量的大小取决于其所采用的颗粒的数量及单个颗粒的容量(SSD总容量=单个颗粒的容量X总数量),而颗粒的容量则取决于其封装的芯片的数量及单个芯片的容量(颗粒容量=单个芯片的容量X芯片数量)。在这种情形下,SSD容量的提升是靠提升单个芯片的容量和芯片数量来实现的。其中前者需要依托相应的技术才能实现,因此整个SSD厂商采用的单个颗粒的容量基本相同;而后者则需要依靠更为先进的制作工艺才能实现,在新工艺的支持下同样大小的颗粒可容纳数量更多的芯片,从而实现SSD容量的倍量式递增,从先前的32GB、64GB,一直到今天已成主流的128GB、256GB。

图1芯片经过封装变成产品中可用的颗粒(PCB中的黑色长方体)

然而芯片密度的增加并不具有无限性,制作工艺水平的提高需要较长的周期,在新工艺未出现之前SSD无法靠增加芯片密度来扩容。Flash芯片要想正常地完成数据的处理工作,必须依靠多次的充放电动作才能实现,芯片密度过高势必会导致芯片间电荷干扰增大,数据读写延时变长,数据处理时的错误率提高,芯片的可擦写次数下降。这也就是为什么有些号称采用先进制作工艺容量较大的SSD在实际使用过程中,整体性能反而不如那些依然采用旧工艺,容量较小的产品的主要原因。

图2随着密度加大,芯片间电荷干扰增大,最终会影响产品的整体性能

为了解决这一现状,三星首次推出了3D V-NAND技术。该技术的亮点在于它采用立体、垂直堆叠的方式来提高颗粒中包含芯片的数量。其基本原理相当于高楼大厦,和占地面积相同的平房相比这种发展纵向空间的做法显然能大幅度提高芯片的容纳数量(具体数量要视堆叠层数而定,三星计划在3年后将3DV-NAND堆到100层)。

图33D V-NAND首先将存储单元(CELL)3D化,然后垂直堆叠存储单元

3D V-NAND目前的优势

堆叠层数的提高最终会带来SSD容量的成倍提升,同时由于该技术中包含的其他一些特性,使得采用该技术的产品还将为我们带来很多惊喜。

① 抛弃了传统的浮栅极MOSFET结构,采用了用控制栅极和绝缘层将MOSFET环形包裹起来的方式,会提高产品的使用寿命。之前浮栅极MOSFET结构是将电子存储在栅极中,每次写入都会消耗栅极中的电子,一旦电子用光SSD也就寿终正寝了。而现在则会大大提升储存电荷的物理区域,特别是对TLC闪存产品有非常积极的意义。

图4将电子存储在面积更大的绝缘层上,无疑会极大的提高产品的使用寿命

②更大的栅极间接触面积会带来更低的延迟和更高的指令运行效率,从而能提高产品的运行性能。

③ 简化了编程阶段,减少了产品在待机和活动时的能耗。传统的闪存是通过三个阶段的编程来控制电荷的,3D闪存简化了这一流程通过高速编程将三个阶段整合为一个单独的阶段,可有效地降低控制所需的时间和复杂度让产品更节能。

图5编程难度大幅度降低,在一定程度上减少了产品能耗

④多层级堆叠的设计能降低单位Bit所耗成本,令产品更具性价比。这一点是建立在该技术已经足够成熟并被广泛应用的基础上的,目前已经出现的产品还未完全发挥3D V-NAND优势。

3D V-NAND产品推荐

3D V-NAND技术为三星推出,三星是第一个将其应用到产品层面的公司。现在我们在市面能见到的3D V-NAND SSD产品,也仅限于三星850 EVO和850PRO系列。

图6目前市面上可见到产品仅限850 EVO和850 PRO两大系列

850 EVO、850 PRO分为120GB、250GB、500GB和1TB四个容量版本,主控制器是三星自主MGX、MEX主控,接口为SATA 6Gb/s,颗粒为32 层3DV-NAND,连续读取速度最高为540~550MB/s,连续写入速度最大为520~540MB/s,整体读写性能高于840 EVO 10%以上,其中120/250 GB版本在随机读写速度方面也较840 EVO有1.9倍的提升,使用寿命会比后者延长30%左右。

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