回顾NAND闪存近年来发展历程

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。

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。

图1显示的是主要的NAND单元技术在过去、当前和预期的产出组合。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。 

图1 按类别划分的NAND产量

图2显示了8LC NAND闪存预期的应用情况。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。

图2 8LC技术的应用情况 

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（图3）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。

图3 美光2Gb 90nm SLC NAND闪存阵列组织，2006年

图4 美光32Gb 25nm SLC NAND闪存阵列组织，2010年

表1显示的是SLC和MLC闪存的发展历程。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。

图4显示的是为了进一步提高性能，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，如图3。 

表1 美光高密度SLC/MLC闪存发展情况

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。

在表1中提到的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。