固態硬碟NAND用量估倍增

市調機構集邦科技看好，固態硬碟(SSD)將是明年成長最大的NAND Flash產品，NAND Flash用量可望倍增。

集邦科技表示，SSD可顯著有效提升筆記型電腦及桌上型電腦效能，明年電腦端SSD需求仍將持續成長。

隨著雲端運算興起，智慧手機及平板電腦等行動裝置帶動應用程式風潮，刺激伺服器應用及儲存裝置效能和速度要求日益提升，促使資料中心與伺服器業者紛紛提高對企業及SSD採購需求。

集邦科技預期，明年整體SSD儲存型快閃記憶體(NAND Flash)位元需求可望大增1.6倍，將是成長最大的NAND Flash產品，固態硬碟占NAND Flash用量比重將自今年的13%，竄升至25%水準。

Nand Flash是Flash的一種技術規格，Nand Flash型的Cell是彼此相連，僅第一個及最後一個Cell分別與Work Line、BIT Line相連，因此Nand Flash架構儲存容量較Nor Flash高。Nand Flash的容量較大，改寫速度快，主要應用在大量資料的儲存，容量最高達128Mb，產品包括數位相機、MP3隨身聽的記憶卡等。

NAND Flash的基本存儲單元是頁(Page)，NAND Flash的頁類似硬碟的磁區，硬碟的1個磁區也為512位元組，而每頁的有效容量是512位元組的倍數。所謂的有效容量是指用於資料存儲的部分，實際上還要加上16位元組的校驗資訊，因此用(512+16)Byte表示。

NAND是以塊為單位進行擦除，快閃記憶體的寫入操作必須在空白區域進行，如果目標區域已經有資料，必須先擦除後寫入，因此擦除操作是快閃記憶體的基本操作。

NAND Flash技術從最早期的SLC(Single-Level Cell)世代，1個記憶體儲存單元(cell)存放1位元(bit)的資料，到MLC(Multi-Level Cell)中，1個記憶體儲存單元存放2位元，2009年開發TLC(Triple-Level Cell)，1個記憶體儲存單元可存放3位元。

SLC即單層式儲存，SLC技術特點是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄，在寫入數據時通過對浮置閘極的電荷加電壓，然後透過源極，即可將所儲存的電荷消除，透過這樣的方式，便可儲存1個資料單元，這種技術能提供快速的程序編程與讀取。

MLC即多層式儲存，是英特爾(Intel)在1997年9月最先開發成功，其作用是將兩個單位的資料存入1個Floating Gate(Flash Memory存儲單元中存放電荷的部分)，再利用不同電位(Level)的電荷，透過儲存的電壓控制讀寫。MLC通過使用大量的電壓等級，每個單元儲存兩位數據，數據密度比較大。

TLC即為1個記憶體儲存單元可存放3位元。TLC速度慢，壽命短，但成本低，價格也較便宜。TLC於2009年開發出來，到2010年第1季東芝和新帝開始銷售，到2010年3月三星也開始銷售，製程技術還在持續改進中。TLC成本比較低，但讀寫次數為三者最少，壽命最短。

NAND Flash市場以SLC和MLC儲存為主，SLC架構是0和1兩個值，而MLC架構可以1次儲存4個以上的值，因此，MLC架構可以有比較好的儲存密度，且可利用老舊的生產程備來提高產品的容量，擁有成本與良率的優勢，與SLC相比較，MLC生產成本較低，容量大，但壽命較短、存取速度較慢及高能耗等缺點。

SLC寫入次數：100000
MLC寫入次數：3000 -10000
TLC寫入次數：500-1000

什麽是SLC？
SLC英文全稱(Single Level Cell——SLC)即單層式儲存。主要由三星(samsung)、海力士(Hynix)、美光(Micron)、東芝(toshiba)等使用。

SLC技術特點是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄，在寫入數據時通過對浮置閘極的電荷加電壓，然後透過源極，即可將所儲存的電荷消除，通過這様的方式，便可儲存1個信息單元，這種技術能提供快速的程序編程與讀取，不過此技術受限于Silicon efficiency的問題，必須要由較先進的流程强化技術(Process enhancements)，才能向上提升SLC制程技術。

什麽是MLC？
MLC英文全稱（Multi Level Cell——MLC)即多層式儲存。主要由東芝、Renesas、三星使用。
英特爾（Intel）在1997年9月最先開發成功MLC，其作用是將兩個單位的信息存入一個Floating Gate（Flash Memory存儲單元中存放電荷的部分），然後利用不同電位（Level）的電荷，通過内存儲存的電壓控制精准讀寫。MLC通過使用大量的電壓等級，每一個單元儲存兩位數據，數據密度比較大。SLC架構是0和1兩個值，而MLC架構可以一次儲存4個以上的值，因此，MLC架構可以有比較好的儲存密度。

SLC比較MLC的優勢：
目前市場主要以SLC和MLC儲存為主，我們多了解下SLC和MLC儲存。SLC架構是0和1兩個值，而MLC架構可以一次儲存4個以上的值，因此MLC架構的儲存密度較高，並且可以利用老舊的生産程備來提高産品的容量，無須額外投資生産設備，擁有成本與良率的優勢。
與SLC相比較，MLC生産成本較低，容量大。如果經過改進，MLC的讀寫性能應該還可以進一步提升。

SLC比較MLC的缺點：
MLC架構有許多缺點，首先是使用夀命較短，SLC架構可以存取10萬次，而MLC架構只能承受约1萬次的存取。
其次就是存取速度慢，在目前技術條件下，MLC晶片理論速度只能達到2MB左右。SLC架構比MLC架構要快速三倍以上。
再者，MLC能耗比SLC高，在相同使用條件下比SLC要多15%左右的電流消耗。
雖然與SLC相比，MLC缺點很多，但在單顆晶片容量方面，目前MLC還是占了絶對的優勢。由于MLC架構和成本都具有絶對優勢，能滿足未來2GB、4GB、8GB甚至更大容量的市場需求。　

NAND-FLASH-Contorller 支援“平均抹寫儲存區塊技術”,“故障區塊管理”,“錯誤修正”等“其他技術”可大幅提高 NAND-FLASH 的可靠度。

平均抹寫儲存區塊技術(wear-leveling):
由於每一 cell 抹寫循環有一定的“天命”次數,故不能過度對某一 cell 重複抹寫;如一直重複讀寫某一檔案(file),有了“平均抹寫儲存區塊技術”會把資料平均搬移到其他的 cell 上可避免特定 cell 因存取過度而故障,而大幅延長晶片使用壽命。
故障區塊管理(Bad Block Management；BBM):
如偵測某一 cell 已故障了,會將此 cell 標示為“禁區",才不會踩到地雷。
錯誤修正(Error Correcting Code；ECC):
如 SLC 和 MLC 和 TLC 的區別所提到 MLC 或 TLC 的 NAND-FLASH 電壓漸層之間太近很容易誤判,有了“錯誤修正”技術可把可能的誤判修正。
“其他技術”:
如斷電處理,加速讀寫等祖傳秘方。

SLC

傳統上，每個儲存單元內儲存1個資訊位元，稱為單階儲存單元(Single-Level Cell,SLC)，使用這種儲存單元的快閃記憶體也稱為單階儲存單元快閃記憶體(SLC flash memory)，或簡稱SLC快閃記憶體。SLC快閃記憶體的優點是傳輸速度更快，功率消耗更低和儲存單元的壽命更長。然而，由於每個儲存單元包含的資訊較少，其每百萬位元組需花費較高的成本來生產。由於快速的傳輸速度，SLC快閃記憶體技術會用在高效能的記憶卡。

MLC

多階儲存單元(Multi-Level Cell,MLC)可以在每個儲存單元內儲存2個以上的資訊位元，其「多階」指的是電荷充電有多個能階(即多個電壓值)，如此便能儲存多個位元的值於每個儲存單元中。藉由每個儲存單元可儲存更多的位元，MLC快閃記憶體可降低生產成本，但比起SLC快閃記憶體，其傳輸速度較慢，功率消耗較高和儲存單元的壽命較低，因此MLC快閃記憶體技術會用在標準型的記憶卡。另外，如飛索半導體的MirrorBit®技術，也是屬於這一類技術。

TLC

三階儲存單元(Triple-Level Cell, TLC)，這種架構的原理與MLC類似，但可以在每個儲存單元內儲存3個資訊位元。TLC的寫入速度比SLC和MLC慢，壽命也比SLC和MLC短，大約1000次。現在，廠商已不使用TLC這個名字，她們稱作3-bit MLC。

區塊抹除

快閃記憶體的一種限制在於即使它可以單一位元組的方式讀或寫入，但是抹除一定是一整個區塊。一般來說都是設定某一區中的所有位元為「1」，剛開始區塊內的所有部分都可以寫入，然而當有任何一個位元被設為「0」時，就只能藉由清除整個區塊來回復「1」的狀態。換句話說快閃記憶體(特別是NOR Flash)能提供隨機讀取與寫入操作，卻無法提供任意的隨機覆寫。不過其上的區塊可以寫入與既存的「0」值一樣長的訊息(新值的0位元是舊值的0位元的超集)。例如：有一小區塊的值已抹除為1111，然後寫入1110的訊息。接下來這個區塊還可以依序寫入1010、0010，最後則是0000。可是實際上少有演算法可以從這種連續寫入相容性得到好處，一般來說還是整塊抹除再重寫。儘管快閃記憶體的資料結構不能完全以一般的方式做更新，但這允許它以「標記為不可用」的方式刪除訊息。這種技巧在每單元儲存大於1位元資料的MLC裝置中必須稍微做點修改。

記憶耗損

另一項快閃記憶體的限制是它有抹寫循環的次數限制(大多商業性SLC快閃記憶體保證「0」區有十萬次的抹寫能力，但其他區塊不保證)。這個結果部分地被某些韌體或檔案系統為了在相異區塊間分散寫入操作而進行的計算寫入次數與動態重映射所抵銷；這種技巧稱為耗損平衡(wear leveling)。另一種處理方法稱為壞區管理(Bad Block Management, BBM)。這種方法是在寫入時做驗證並進行動態重測，如果有驗證失敗的區塊就加以剔除。對多數行動裝置而言，這些磨損管理技術可以延長其內部快閃記憶體的壽命(甚至超出這些裝置的使用年限)。此外，遺失部分資料在這些裝置上或許是可接受的。至於會進行大量資料讀寫循環的高可靠性資料儲存應用則不建議使用快閃記憶體。不過這種限制不適用於路由器與瘦客戶端(Thin clients)等唯讀式應用，這些裝置往往在使用年限內也只會寫入一次或少數幾次而已。

讀取干擾

所使用的快閃記憶體讀取方式隨著時間的推移會導致在同一區塊中相近的記憶單元內容改變(變成寫入動作)。這即是所謂的讀取干擾。會導致讀取干擾現象的讀取次數門檻介於區塊被抹除間，通常為100,000次。假如連續從一個記憶單元讀取，此記憶單元將不會受損，而受損卻是接下來被讀取的周圍記憶單元。為避免讀取干擾問題，快閃記憶體控制器通常會計算從上次抹除動作後的區塊讀取動作總次數。當計數值超過所設定的目標值門檻時，受影響的區塊會被複製到一個新的區塊，然後將原區塊抹除後釋放到區塊回收區中。原區塊在抹除動作後就會像新的一樣。若是快閃記憶體控制器沒有即時介入時，讀取干擾錯誤就會發生，如果錯誤太多而無法被ECC機制修復時就會伴隨著可能的資料遺失。

NOR型快閃記憶體SLC浮閘的寫入續航力通常大於或等於NAND型快閃記憶體，然而MLC NOR型與NAND型快閃記憶體有著相近的續航能力。

NAND型與NOR型快閃記憶體規格書所提供的續航週期速率如下：

SLC NAND型快閃記憶體的續航率通常落在10萬次（Samsung OneNAND KFW4G16Q2M）
MLC NAND型快閃記憶體對於早期中型容量應用的續航力通常落在5千至1萬次（Samsung K9G8G08U0M），對於後期大型容量應用的續航率則落在1千至3千次。
TLC NAND型快閃記憶體的續航率通常落在1千次（Samsung 840）
SLC浮柵NOR型快閃記憶體通常有著10萬至百萬次的寫入續航率（Numonyx M58BW 100k; Spansion S29CD016J 1,000k）
MLC浮柵NOR型快閃記憶體通常有著10萬的寫入續航率（Numonyx J3 flash）

以上資料只是大概的標稱數值，實際寫入壽命與不同廠商的產品技術及定位有關。使用更細微化的製程，可以提高產品讀寫效能和容量，但同時在寫入壽命方面可能會面臨更大的挑戰。使用如記憶損耗調節及memory over-provisioning的特定演算法及設計範例，可以用來調節儲存系統的續航率來符合特定的需求。損耗平衡是快閃記憶體產品使用壽命的必要保證，在USB隨身碟和SSD等產品中，均有相關支援。

雖然說「TLC NAND型快閃記憶體的續航率通常落在1千次（Samsung 840）」的寫入次數才區區「1千次」可說是相當的低！大概沒有比只能寫入1000次還要更差的！