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固态硬盘SSD的核心--闪存芯片(Nand Flash)介绍
随便打开哪一个固态硬盘,您都会发现里面大多数都由闪存芯片(Flash)组成.本文将为大家介绍闪存芯片的结构,性能等技术方面的基础知识.看完本文之后,您将不会再对SLC,MLC,Block等名词感到困惑.
随便打开哪一个固态硬盘,您都会发现里面大多数都由闪存芯片(Flash)组成.本文将为大家介绍闪存芯片的结构,性能等技术方面的基础知识.看完本文之后,您将不会再对SLC,MLC,Block等名词感到困惑. 闪存芯片技术(Flash)在1980年左右由东芝公司的藤尾增岡发明.它的特点是结构异常简洁,单位面积的半导体内能实现相当多的数据存储量.不过这种结构带来的副作用是擦写时不能以bit为单位,而只能以块(block)为单位进行大范围的操作.由于这种效果就像闪光灯一样,闪光的效果总要影响到一块区域,这种芯片被命名为闪存(Flash). 注:Flash也有闪光灯的意思. 闪存主要分为NOR和NAND两种. NAND Flash的接口速度较慢,但是单位面积的数据存储率更高,因此受到存储设备设计者的偏爱.现今的固态硬盘基本都采用NAND Flash作为存储介质. 上图为某Nand Flash的结构.可以看到整个芯片在内部被分成无数个块(Block),每个页又由很多页(Page)组成.老一些的Nand Flash每个Block大小一般为16k字节,而如今的Nand Flash的Block大小基本都达到512k字节.大多数对Nand Flash的操作都以Block或者Page为单位.即使有命令可以读取某个bit的数据,但其实往往整个Page的数据也会从存储区被取到寄存器中.其中尤其值得注意的是擦除这个操作是以Block为单位的,这样的话在覆盖文件时,即使写入再小的文件,也要先擦除掉整个Block的数据,然后再写入数据.这样的情况对于固态硬盘的控制器的设计提出了很高的要求,在本专题下一篇文章"固态硬盘的灵魂--控制器"中将会详述这个问题. Nand Flash存储数据的基础单位叫做单元(Cell). 如上图所示,Cell的结构很像一个场效应管,只不过在栅极下面多了一层悬浮的隔离层.这个隔离层充电与否,可以改变这个场效应管的导通电压.也就是说,我们可以对这个悬浮层充放电来存储数据,然后根据导通电压来判断里面存储的数据是多少.这就是Nand Flash的基本工作原理. 我们经常看到的SLC和MLC的区别就在于Cell的设计上.SLC的Nand Flash只把导通电压分为两个档次,分别代表0和1,这样每个Cell就只能存储一个bit的数据. 而MLC的Nand Flash则是将导通电压分为四个档次,这样就可以用来存储两个bit的数据.请看下图. 很明显的是,只要采用MLC技术,就可以在原来的SLC闪存的基础上立马容量翻倍!不过天下没有免费的午餐,MLC技术也会带来一些副作用.同样的电压范围从分成两档变成四档,意味着出错的可能大大增加.而且,识别四档电压也要比两档要更麻烦一点,这样读写性能也会有所损失.下表列出了SLC和MLC的主要区别和性能对比.
可以看到,MLC和SLC相比,擦除性能固然相等,但是读写性能基本只有其一半.因此,使用MLC Nand Flash的固态硬盘对控制器的设计要求更高. 另外,您可能已经注意到"最少不出错写入次数"这个指标,SLC是MLC的整整十倍!如何来理解这个指标呢? 闪存的设计决定了需要一个较高的电压来进行擦除和写入操作.但是较高的电压也意味着有导致物理损坏的可能.甚至更夸张的是,Nand Flash在出厂时就可能带有一定数量的坏点!对于这样的先天不足,需要在控制器层面用一些特定的算法来进行错误检测和纠正(Error Detection and correction).根据算法的强度,在Block中出现一个或几个坏点时,整个Block仍然可以工作正常.当坏点数量超出算法所能承受的极限时,只能宣告整个Block报废. MLC由于cell的设计比SLC复杂,所以出现坏点的概率要高得多.总的来说,使用MLC的固态硬盘的寿命会比使用SLC的固态硬盘短一些.
责编:张鹏宇
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