1、NAND Flash芯片結(jié)構(gòu)
SSD是常見的基于NAND Flash的存儲(chǔ)器。SSD結(jié)構(gòu)主要由NAND Flash和controller組成，其中NAND flash芯片結(jié)構(gòu)從小到大依次是Page→Block→Plane→LUN（Die）→NAND Flash。下圖展示了1Tb TLC NAND閃存中LUN的結(jié)構(gòu)圖，包括6個(gè)Plane，每個(gè)Plane由363個(gè)Block組成，每個(gè)Block由4176個(gè)Page組成。同一條WL上所連接的存儲(chǔ)單元（Cell）共同組成Page，Page是NAND閃存中讀寫操作的最小單位；共用基底的若干個(gè)WL共同組成Block，Block是擦除操作的最小單位。
SSD結(jié)構(gòu)示例圖
NAND Flash中LUN的結(jié)構(gòu)圖
2、NAND Flash的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式
浮柵（Floating Gate）結(jié)構(gòu)在1967年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的Kahng和施敏發(fā)表，這一發(fā)明是其后幾十年閃存技術(shù)的基礎(chǔ)。NAND 閃存基于浮柵晶體管，通過存儲(chǔ)的電荷量來表示數(shù)據(jù)。NAND閃存由閃存單元（cell）組成，每個(gè)單元包含一個(gè)浮柵晶體管（目前3D NAND多為Charge Trap）、一個(gè)控制極、一個(gè)源極和一個(gè)漏極。
當(dāng)浮柵充電時(shí)，它被識(shí)別為Program（編程）狀態(tài)并標(biāo)記為“0”；當(dāng)浮柵沒有電荷時(shí)，它被識(shí)別為Erase（擦除）狀態(tài)并標(biāo)記為“1”。根據(jù)每個(gè)單元Cell存儲(chǔ)的位數(shù)，NAND閃存類型分為SLC、MLC、TLC和QLC。
SLC（Single-Level Cell）：每單元僅存儲(chǔ)1bit信息，即0或1。由于每個(gè)單元只有兩種狀態(tài)，SLC存儲(chǔ)密度較低，但讀寫速度和穩(wěn)定性出色，成本也最高。
MLC（Multiple-Level Cell）：每單元可存儲(chǔ)2bit信息，有四種狀態(tài)：00、01、10、11。相較于SLC，MLC存儲(chǔ)容量更高，但擦寫壽命較短，讀寫速度也略遜一籌。
TLC（Triple-Level Cell）：每單元可存儲(chǔ)3bit信息，有八種狀態(tài)：000至111。TLC是目前最常見的閃存類型之一，其性能不及SLC和MLC，但成本較低，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用需求。
QLC（Quad-Level Cell）：每單元可存儲(chǔ)4bit信息，有十六種狀態(tài)：0000至1111。QLC存儲(chǔ)密度高，成本低，但擦寫壽命短。
不同閃存類型的狀態(tài)劃分和編碼圖例
3、NAND Flash：從2D到3D的演進(jìn)
1991年全球首個(gè)4MB NAND閃存問世，此后12MB NAND閃存、1GB NAND閃存、1GB MLC NAND閃存相繼推出，存儲(chǔ)技術(shù)飛速發(fā)展，存儲(chǔ)密度大幅提升。2D NAND技術(shù)通過不斷縮小制程來提高存儲(chǔ)密度，從早期的90nm工藝到后來的20nm甚至更小，取得了顯著進(jìn)步。然而，隨著制程工藝不斷縮小，逐漸逼近物理極限，2D NAND性能提升遇到瓶頸:
· 平面微縮工藝的難度越來越大
· 電子隧穿效應(yīng)以及相鄰存儲(chǔ)單元之間的串?dāng)_克服難度增加
· 制造成本急劇上升
這些挑戰(zhàn)促使存儲(chǔ)廠商尋求新的技術(shù)突破。2007年，東芝率先提出3D NAND結(jié)構(gòu)，NAND閃存正式從2D時(shí)代進(jìn)入3D時(shí)代。
2D NAND主流技術(shù)是浮柵（Floating Gate，F(xiàn)G），通過減小特征尺（(e.g. 20nm到16nm) 提高存儲(chǔ)密度；3D NAND主流技術(shù)是電荷捕捉（Charge Trap，CT），通過提高堆疊層數(shù)（e.g. 64L到96L）提高存儲(chǔ)密度。當(dāng)前主流存儲(chǔ)介質(zhì)是基于Charge Trap技術(shù)的3D NAND。
2D NAND與3D NAND對(duì)比圖例
3D NAND通過立體堆疊技術(shù)從24層、64層、128層發(fā)展到超過200層，顯著提高了存儲(chǔ)密度和容量。同時(shí)，采用更先進(jìn)的NAND技術(shù)后，存儲(chǔ)器性能更優(yōu)、能耗更低，每字節(jié)成本遠(yuǎn)低于2D NAND。
--Multi-Stack工藝
Multi-Stack技術(shù)解決了3D堆疊工藝挑戰(zhàn)，但?隨著Stack層數(shù)增加，?單次先進(jìn)刻蝕工藝實(shí)現(xiàn)通孔的難度也隨之增加，且Stack之間會(huì)產(chǎn)生額外可靠性問題。不同Layer間參數(shù)不同，可能導(dǎo)致單Block內(nèi)tBERS/tPROG/tR差異加劇。
--PUC/Xtacking
存儲(chǔ)陣列外圍電路變得越來越復(fù)雜，導(dǎo)致存儲(chǔ)單元密度瓶頸以及工藝難度增加。傳統(tǒng)的外圍電路由臨近型外圍電路（Periphery Near Cell，PNC）逐漸向置底型外圍電路（Periphery Under Cell，PUC）和置頂型外圍電路Xtacking方向發(fā)展。
--I/O Interface
NAND閃存接口協(xié)議主要有ONFI和Toggle，兩者總線最大速率均超過3.0Gbps，并向更高速率演進(jìn)。雖然總線速率的提升改善了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，但命令和地址傳輸時(shí)延未見改善，導(dǎo)致系統(tǒng)總線利用效率下降，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)也在進(jìn)一步增加。
4、新技術(shù)與未來發(fā)展趨勢(shì)
隨著市場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在速度、功耗、容量、可靠性等方面提出了更高要求，現(xiàn)有存儲(chǔ)技術(shù)面臨著新的挑戰(zhàn)，人們開始探索新的存儲(chǔ)方法。
目前新型存儲(chǔ)技術(shù)旨在集成SRAM的開關(guān)速度和DRAM的高密度特性，并具有閃存的非易失特性，主要探索方向有四種：相變存儲(chǔ)器（PCM）、鐵電存儲(chǔ)器（FeRAM/FRAM）、磁性存儲(chǔ)器（MRAM/STT-RAM）和阻變存儲(chǔ)器（ReRAM/RRAM）。這些新型存儲(chǔ)技術(shù)擁有一些共性，例如部分技術(shù)可通過工藝縮小尺寸以降低成本；無需使用閃存的塊擦除/頁寫入，從而大大降低寫入耗電，提高寫入速度。
盡管新型存儲(chǔ)技術(shù)研究已久，但目前尚不足以替代NAND閃存。然而，憑借超強(qiáng)性能、長(zhǎng)壽命、可靠性、耐高溫等特性以及工藝技術(shù)的創(chuàng)新，新型存儲(chǔ)技術(shù)有望成為未來新一代的存儲(chǔ)選擇。
NAND閃存從最初的2D到如今的3D，甚至4D，層數(shù)不斷提高，從24層、36層、48層到96層、128層、176層、200多層，最近甚至規(guī)劃到了1000層，半導(dǎo)體從業(yè)者對(duì)技術(shù)的追求永無止境。未來，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)將持續(xù)創(chuàng)新，在性能、容量和可靠性上不斷突破，為各行業(yè)帶來更優(yōu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案。
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