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.

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.

	SLC	MLC
供电	3.3V和1.8V	3.3V
随机读取	典型值25微妙	典型值50微妙
擦除	典型值2毫秒	典型值2毫秒
写入	典型值300微秒	典型值600微秒
最少不出错写入次数	10万次	1万次

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.