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U盘/SSD玩家必读!详解闪存基础

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发表于 2017-6-23 16:23:47 | 显示全部楼层 |阅读模式

目前绝大多数SSD都是以NAND FLASH为存储介质的。SSD工作原理很多都是基于NAND FLASH特性的。比如,NAND FLASH在写之前必须先擦除,而不能覆盖写,于是SSD才需要垃圾回收(Garbage Collection,或者叫Recycle);NAND FLASH每个块(Block)擦写次数达到一定值,这个块就不能用了(数据丢失,或者写入不了),所以SSD固件必须做Wear Leveling,让数据平均写在所有块上,而不是盯着几个块拼命写(不然没几天SSD就报废了)。还有类似很多例子,SSD很多实现都是在为NAND FLASH服务的。所以,欲攻SSD,NAND FLASH首当其冲。 NAND FLASH是一种非易失性存储器,也就是说,掉电了,数据也不会丢失。NAND FLASH基本存储单元(Cell)是一种类NMOS的双层浮空栅 (Floating Gate)MOS管组成,如下图所示。

nand1.jpg

在源极(Source)和漏极(Drain)之间电流单向传导的半导体上形成贮存电子的浮动栅(Floating Gate)。浮动栅包裹着一层硅氧化膜绝缘体。它的上面是在源极和漏极之间控制传导电流的选择/控制栅(Control Gate)。里面的电子不会因为掉电而消失,所以NAND FLASH是非易失存储器。

写操作是在控制极加正电压,使电子通过绝缘层进入浮栅极。擦除操作正好相反,是在衬底加正电压,把电子从浮栅极中吸出来。如下图所示:

nand2.jpg

一个存储单元存储1bit数据的NAND FLASH,我们叫它为SLC(Single Level Cell),2bit为MLC(Multiple Level Cell),3bit为TLC(Triple Level Cell)。

对SLC来说,一个存储单元存储两种状态,浮栅极里面的电子多于某个参考值的时候,我们把它采样为0,否则,就判为1。

nand3.jpg

对MLC来说,一个存储单元存储四个状态,一个存储单元可以存储2bit的数据。通俗来说就是把浮栅极里面的电子个数进行一个划分,比如低于10个电子,判为0;11-20个电子,判为1;21-30,判为2;多于30个电子,判为3。

nand4.jpg

依次类推TLC,它的一个存储单元有8个状态,可以存储3bit的数据,它在MLC的基础上对浮栅极里面的电子数又进一步进行了划分。

nand5.jpg

同样面积的一个存储单元,SLC,MLC和TLC,依次可以存储1、2、3bit的数据,所以在同样面积的LUN上,NAND FLASH容量依次变大。

但同时,一个存储单元电子划分的越多,那么在写入的时候,控制进入浮栅极的电子的个数就要越精细,所以写耗费的时间就加长;同样的,读的时候,需要尝试用不同的参考电压去读取,一定程度上加长读取时间。所以我们会看到在性能上,TLC不如MLC,MLC不如SLC。

aaaaa.jpg

NAND FLASH就是由成千上万这样的存储单元按照一定的组织结构组成的。

block.jpg

上图是一个FLASH Block的组织架构。一个WordLine对应着一个或若干个Page,取决于SLC,MLC或者TLC。对SLC来说,一个WordLine对应一个Page;MLC则对应2个Page,这两个Page是一对:Lower Page 和Upper Page;TLC对应3个Page。一个Page有多大,那么WordLine上面就有多少个存储单元(Cell),就有多少个Bitline。一个Block当中的所有这些存储单元(Cell)都是共用一个衬底的。

一个NAND FLASH内部存储组织结构是这样的:一个Device有若干个DIE(或者叫LUN),每个DIE有若干个Plane,每个Plane有若干个Block,每个Block有若干个Page。每个Page对应着一个Wordline,由成千上万个存储单元构成。

nand8.jpg

DIE/LUN是接收和执行FLASH命令的基本单元。上图中,LUN0和LUN1可以同时接收和执行不同的命令。但在一个LUN当中,一次只能执行一个命令,你不能对其中的某个Page写的同时,又对其他Page进行读访问。

一个LUN又分为若干个Plane,一般为1个或者2个,现在也有4个Plane的NAND了。每个Plane都有自己独立的Cache Register或者Page Register,一般情况下,两个Register内容都是一样的,其大小等于一个Page的大小。Host在写某个Page的时候,它是先把数据从Host传输到该Page所对应Plane的Cache Register当中,然后再把整个Cache Register当中的数据写到NAND FLASH阵列;读的时候类似,它先把这个Page的数据从FLASH阵列读取到Page Register,然后再按需传给host。这里按需是什么意思?就是我们读取数据的时候,没有必要把整个Page的数据都传出来给Host,按需选择数据传输。但要记住,无论是从FLASH阵列读数据到Page Register,还是把Page Register的数据写入FLASH阵列,都是以Page为单位!

nand9.jpg

我们通常所说的FLASH读写时间,是不包含数据从NAND与HOST之间的数据传输时间。FLASH写入时间指是一个Page的数据从Cache Register当中写入到FLASH阵列的时间,FLASH读取时间是指一个Page的数据从FLASH阵列读取到Page Register的时间。对现在的MLC NAND FLASH来说,写入时间一般为几百个微秒甚至几毫秒,读取时间为几十微秒。NAND FLASH一般都支持Multi-Plane或者说Dual-Plane操作。那么什么是Dual-Plane操作呢?对写来说,HOST先把数据写入到上第一个Plane的Cache Register当中,数据hold在那里,并不立即写入到FLASH阵列,等HOST把同一个LUN上的另外一个或者几个Plane上的数据传输到相应的Cache Register当中,再统一一起写入FLASH阵列。假设写入一个Page的时间为1.5ms,一个Page的传输时间为50us:如果按原始的Single Plane操作,写两个Page需要至少3ms+20us;但如果按照Dual-Plane操作,由于隐藏了一个Page的写入时间,写入两个Page只要1.5ms+20us,缩减了几乎一半的时间,写入速度几乎翻番。对读来说,使用Dual-Plane操作,两个不同Plane上的Page数据会在一个NAND读取时间加载到各自的Page Register当中,这样用一个读取时间读取到两个Page的数据,读取速度加快。考虑读取时间和数据传输时间相当,假设都是50us,Single Plane读取传输两个Page需要50us×4=200us,Dual-Plane则需要50us×2+50us=150us,时间为前者的75%,读取速度也有大的提升。NAND FLASH的擦除是以Block为单位的。为什么呢?那是因为在组织结构上,一个Block当中的所有存储单元(Cell)是共用一个衬底的(Substrate)。当你对某衬底施加强电压,那么上面所有浮栅极的电子都被吸出来了。每个NAND Block都有擦写次数的限制,当超过这个次数时,该Block可能就不能用了:浮栅极充不进电子(写失败),或者浮栅极的电子很容易就跑出来(比特翻转,0->1),或者浮栅极里面的电子跑不出来(擦除失败)。这个最大擦写次数按SLC、MLC、TLC依次递减:SLC的擦写次数可达十万次,MLC一般为几千到几万,TLC降到几百到几千。随着NAND FLASH工艺的不断进步(现在已进入1Xnm时代),NAND FLASH容量不断加大,但性能与可靠性却在变差。要克服NAND FLASH的这些不利因素,对SSD固件算法带来了更多更大的挑战。FLASH Block不一定要达到寿命才不能用。一块FLASH,刚出厂的时候就会有坏块,这些坏块叫出厂坏块。有些厂商会在该Block的某几个Page当中加入坏块标记(如下图所示),用户在使用前,应该按照FLASH DATASHEET把这些坏块挑出来建立坏块表,避免以后使用这些坏块。

bb.jpg

也有一些FLASH厂商会直接告诉你哪些块是出厂坏块,这些信息存储在FLASH的某个地方,用户只需读取这些信息即可,无需对整个FLASH的所有Block进行坏块扫描。

用户在时候过程中,一个Block,即使未达到最大使用寿命,也有可能变坏。FLASH是允许有一定的坏块率的。质量好的FLASH,坏块率是很小的;质量差的FLASH,坏块产生频繁,所以在挑选SSD的时候,尽量挑选知名主流的FLASH厂商生产的FLASH,质量有保证。

对MLC来说,擦除一个Block的时间大概是几个毫秒。NAND FLASH的读写则是以Page为基本单元的。一个Page大小主要有4KB、8KB、16KB。对MLC或者TLC来说,写一个Block当中的Page,应该顺序写:Page0,Page1,Page2,Page3,…;禁止随机写入,比如:Page2,Page3,Page5,Page0,…,这是不允许的。但对读来说,没有这个限制。SLC也没有这个限制。HOST是通过一系列FLASH命令与NAND通讯的。每个FLASH,都定义了其支持的命令,以MICRON 某型号的FLASH为例,它定义了如下命令:

cmd1.jpg

cmd2.jpg

不同的FLASH,所支持的命令有所差异。用户应该严格按照FLASH DATASHEET与FLASH通讯。

谈谈NAND FLASH的一些特点,或者说它作为存储介质面临的挑战。

1、Block具有一定的寿命,不是长生不老的。前面提到,当一个Block接近或者超出其最大擦写次数时,导致存储单元的永久性损伤,不能再使用。随着NAND工艺不断向前,这个擦写次数也变得越来越小。

erase.jpg

2、在NAND当中的存储单元中,先天就有一些是坏掉的,或者说不稳定的。并且随着NAND的不断使用,坏的存储单元越来越多。所以,用户写入到NAND的数据,必须有ECC保护,这样即使其中的一些比特发生反转,读取的时候也能通过ECC纠正过来。一旦出错的比特超过纠错能力范围,数据就丢失,对这样的Block,我们应该废弃不再使用。

3、FLASH先天有坏块,也就是说有出厂坏块。并且,用户在使用的时候,也会新添坏块,所以用户在使用FLASH的时候,必须有坏块管理机制。

4、读干扰(Read Disturb)。什么意思?从NAND读取原理来看,当你读取一个Page的时候,Block当中未被选取的Page控制极都会加一个正电压,以保证未被选中的MOS管是导通的。这样问题就来了,频繁的在一个MOS管控制极加正电压,就可能导致电子被吸进浮栅极,形成轻微的Program。从而最终导致比特翻转。但是,这个不是永久性损伤,重新擦除Block还能正常使用。注意的是,Read Disturb影响的是同一个Block中的其它Page,而非读取的Page本身。

read.jpg

5、写干扰(Program Disturb)。除了Read Disturb会导致比特翻转,Program Disturb也会导致比特翻转。还是要回到FLASH内部的Program原理上来。

write.jpg

我们写一个Page的时候,数据0和1混合的。由于对擦除过的Block,其所有的存储单元初始值就是1,所以Program的时候,只有写0的时候才真正需要Program。如上图所示,绿色的Cell是写0,需要Program的,红色的代表写1,并不需要Program。我们这里把绿色的Cell称之为Programmed Cells,红色的Cell叫Stressed Cells。写某个Page的时候,我们是在其WordLine的控制极加一个正电压(上图是20V),对于Programmed Cells所在的String,它是接地的,不需要Program Cell所在的String,它是接一正电压(上图为10V)。这样最终产生的后果是,Stressed Cell也会被轻微Program。与Read Disturb不同的是,Program Disturb影响的不仅是同一个Block当中的其它Page,自身Page也受影响。相同的是,都是不期望的轻微 Program导致比特翻转,都非永久性损伤,经擦除后,Block还能再次使用。

6、电荷泄漏。存储在NAND FLASH存储单元的电荷,如果长期不使用,会发生电荷泄漏。不过这个时间比较长,一般十年左右。同样是非永久性损伤,擦除后Block还能使用。

①上面说的这些,是所有NAND面临的问题,包括SLC,MLC和TLC。对MLC来说,又有其特有的一些问题。

正如前面提到的,MLC最大擦写次数变小。这样,就更需要Wear Leveling技术来保证整个存储介质的使用寿命。

②对MLC来说,一个存储单元存储了两个比特的数据,对应着两个Page:Lower Page和Upper Page。假设Lower Page先写,然后再写Upper Page的过程中,由于改变了整个Cell的状态,如果这个时候掉电,那么之前写入的Lower Page数据也丢失。一句话,写一个Page失败,可能会导致另外一个Page的数据损坏。

③前面说到,不能随机写。不能先Program Upper Page,然后再Program Lower Page,这点就限制了我们不能随意的写。

④写Lower Page时间更短,写Upper Page时间更长。所以会看到有些Page写入速度快,有些Page写入时间慢。读取时间对Lower Page和Upper Page来说都差不多。

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发表于 2017-6-24 09:05:35 | 显示全部楼层
虽然很深奥,但是强烈支持楼主ing……
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