在数字世界，用户存储在SSD上的数据最终会被保存至非易失性存储介质，而存储介质的特性直接影响SSD的主控和固件设计。NAND Flash是当前电子设备中常见的非易失性存储介质。在上一篇文章中，我们介绍了NAND Flash技术的演进历程和未来探索方向（点击查看），本篇文章将继续为大家讲解NAND Flash的基本原理和特性。

1、NAND Flash存储单元及操作原理

NAND Flash的基本存储单元是浮栅（Floating Gate）或电荷捕获（Charge Trap）。以传统闪存的浮栅晶体管为例，在源极（Source）和漏极（Drain）之间电流单向传导的半导体上形成存储电子的浮栅，它使用导体材料，上下被绝缘层包围，存储在浮栅极的电子不会因为掉电而消失。

存储单元操作原理：通常将浮栅极里面没有电子的状态用“1”来表示，存储一定量电子的状态用“0”表示。

写操作：在控制极施加一个大的正电压，在控制极和衬底之间建立一个强电场，使电子通过隧道氧化层进入浮栅。

擦除操作：在衬底加正电压，控制极和衬底之间建立一个反向的强电场，把电子从浮栅中“吸出来”。

读操作：在控制极施加参考电压使源极和漏极导通，确定存储单元的导通状态，从而读取出存储的信息。

存储单元结构示例图

在擦写过程中，需要在控制极与衬底之间建立强电场。随着擦写次数增加，隔离浮栅极电子的隧道氧化层效果逐渐减弱，导致电子进出浮栅极变得更容易，从而可能引发“0”、“1”翻转。因此，闪存存在擦写次数限制，通常用擦写次数（Program & Erase Cycle, PEC）来衡量闪存的寿命。读操作时施加的电压较低，不足以损伤隧道氧化层，不会影响闪存寿命。

2、NAND Flash存储模式

如果用一个存储单元有无电子来区分“0”和“1”，则这种每个存储单元存储1位数据的闪存称为SLC（Single Level Cell）。在通过逻辑方式提升存储密度的过程中，先后出现了SLC、MLC、TLC和QLC等类型的闪存。

具体来说，存储1位数据的闪存称为SLC，存储2位数据的称为MLC（Multiple Level Cell），存储3位数据的称为TLC（Triple Level Cell），而存储4位数据的称为QLC（Quad Level Cell）

不同类型闪存的阈值电压分布示例图

对于SLC，判断存储单元的数据是“0”还是“1”，只需在控制极施加V_READ电压；若晶体管导通则为“1”，否则为“0”。MLC、TLC和QLC的读取更复杂，需要多次读取才能确定数据，读取次数越多，所需时间越长，这是提升存储密度的代价之一。

此外，存储密度提升还会降低写入性能。每个存储单元存储的位越多，编程状态越精细，即往浮栅极注入电子的控制越精细。

随着状态增多，数据对电子流失变得更敏感，而电子流失与隧道氧化层强相关：隔绝效果越好，电子就越不容易丢失；反之亦然。虽然提高存储密度能存储更多位数据，但会带来性能下降、可靠性降低和寿命缩短等问题。

3、NAND Flash阈值电压分布图

每个存储单元对应一个阈值电压，当控制极施加的电压大于该阈值时，晶体管导通；否则，晶体管截止。通过统计某个闪存页或字线在不同阈值电压下的存储单元数量，并绘制成图，就可以得到阈值电压分布图。

以一个编程好的MLC闪存页的阈值电压分布图为例，横坐标表示阈值电压，纵坐标表示每个阈值电压对应的存储单元数量。包含不同电子数的存储单元对应不同的阈值电压，只要落在同一范围内，它们便属于同一状态。

MLC阈值电压分布示例图

为了正确读取数据，我们希望各个状态的阈值电压与读参考电压不重叠，否则会导致误判。如下图所示，若状态S2向左偏移（无色到深色），其阈值电压与读参考电压V_R2部分重叠；如果仍用V_R2判断是否导通，那么处于状态S2的某些存储单元可能会被误判为S1，从而导致数据读取错误。

阈值电压分布左移示例图

存储状态之间的距离越宽越好，这表示允许更多电子的意外流失或注入，从而提高闪存的容错性。然而，随着每个存储单元存储位数的增加，状态数也增多，导致各状态之间的间隔缩小，闪存的容错率降低，可靠性变差。

阈值电压分布图的绘制具有重要意义。首先，它将抽象的闪存具象化，便于具体分析与闪存相关的问题。其次，它可以帮助调试闪存故障。例如，阈值电压整体左移表明数据丢失是由于电子流失；右移则可能是意外注入电子；如果最右边的“峰”缺失，则可能是由于异常掉电。

4、闪存可靠性问题

闪存的一般可靠性问题包括磨损、读干扰、写干扰和数据保持等。

--磨损

闪存块的磨损程度通过擦写次数（PEC）衡量，其实际使用寿命与纠错算法强相关。随着擦写次数增加，浮栅极数据的可靠性降低，当出错数据超出控制器的纠错能力时，闪存将不可用。为应对磨损问题，SSD固件通常采用磨损均衡算法，使所有闪存块均摊写入，避免某些块频繁擦写，导致SSD过早出现过多坏块而失效。

--读干扰

在读取闪存页时，为确保顺利读取目标页，需要在其他字线（Wordline，WL）上施加V_PASS电压，这会导致这些WL上的晶体管发生轻微“编程”。随着读取次数增加，越来越多的电子进入浮栅晶体管，最终可能导致位翻转（由1变为0）。当翻转的位数超出纠错引擎的能力时，用户数据可能会丢失。虽然读干扰本身不会影响闪存寿命，但为解决读干扰而进行的数据刷新操作会带来额外写入，导致写放大，从而影响闪存寿命。

读干扰原理示例图

--写干扰

写干扰是指在编程某字线时，无需编程的存储单元意外地被注入电子。当在控制极施加较大电压对字线上闪存页编程时，可能导致不需要编程或已编程到位的存储单元意外注入电子，导致目标编程页写入错误数据。

--数据保持

数据存储在晶体管中，浮栅极被绝缘体包围，但随着时间推移，存储在浮栅的电子在本征电场作用下会透过绝缘体“逃逸”。尤其随着隧道氧化层隔绝效果的逐渐减弱（擦写次数增多），电子“逃逸”变得更容易。当电子逃逸达到一定量时，位“0”可能翻转为位“1”。如果位翻转数超出控制器的纠错能力，用户数据可能会丢失。数据保持期的长短不仅与擦写次数有关（擦写越多，保持期越短），还与温度有关：温度越高，数据流失越快。

NAND Flash作为核心存储技术，其基本原理和特性已被广泛认知。随着人工智能、5G、物联网等新兴技术的发展，NAND Flash面临许多可靠性挑战。然而，这些问题可以通过一些手段加以克服。存储领域的从业者正积极探索，持续更新NAND Flash的应用技术和新的可靠性解决方案。

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