閃存使用網(wǎng)格中的浮柵晶體管存儲數(shù)據(jù)。寫入過程中，電子通過量子隧穿效應(yīng)被捕獲，從而改變單元電壓。擦除操作使用塊級電壓脈沖重置電荷。由于絕緣氧化層的存在，數(shù)據(jù)即使在斷電的情況下也能保存，但反復(fù)寫入會降低單元的性能。

浮柵晶體管如何存儲數(shù)據(jù)？

浮柵將電子捕獲在氧化層之間，從而改變晶體管的閾值電壓。這種二進(jìn)制狀態(tài) (0/1) 通過感測電流來讀取。與 DRAM 不同，電荷無需刷新周期即可保持完整。

每個閃存單元的核心都是一個 MOSFET，它帶有一個夾在控制柵極和基板之間的附加浮柵。編程時，高電壓 (15-20V) 迫使電子通過 Fowler-Nordheim 隧穿效應(yīng)穿過隧道氧化物。這些被捕獲的電子會提高晶體管的閾值電壓，該電壓可在讀取過程中檢測到。實際上，這就像往水桶（浮柵）里注水，除非強(qiáng)行倒空，否則水不會漏?，F(xiàn)代 3D NAND 將單元垂直堆疊，并使用電荷捕獲閃存 (CTF) 來減少電子泄漏。但是，如果氧化物降解會發(fā)生什么？就像生銹的管道一樣，損壞的絕緣層會導(dǎo)致電荷泄漏，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞。制造商使用糾錯碼 (ECC) 和更嚴(yán)格的電壓裕度來解決這個問題。

NAND 和 NOR 閃存架構(gòu)有什么區(qū)別？

NOR 閃存使用并行單元進(jìn)行隨機(jī)訪問，非常適合固件。NAND 閃存將單元串聯(lián)排列以實現(xiàn)高密度存儲，優(yōu)先考慮寫入/擦除速度而不是直接尋址。

NOR 的并行結(jié)構(gòu)允許字節(jié)級讀取，使其行為類似于傳統(tǒng) RAM，但具有非易失性。但是，擦除塊很大（64-128KB），寫入速度很慢。相反，NAND 將 32-64 個晶體管串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)頁面級操作（4-16KB）和更便宜的高密度設(shè)計。可以將 NOR 想象成一個圖書館，您可以在其中直接獲取任何書籍（字節(jié)），而 NAND 則是一條傳送帶 —— 您必須一次處理整個盒子（頁面）。從技術(shù)上講，由于單元結(jié)構(gòu)更簡單，NAND 實現(xiàn)了更高的耐用性（100K 次，而 NOR 為 10K）。對于 SSD，制造商更喜歡 3D TLC NAND，因為它具有每 GB 成本優(yōu)勢，盡管寫入速度較慢。一個關(guān)鍵的權(quán)衡：NOR 的延遲是微秒，而 NAND 的隨機(jī)訪問延遲為毫秒。

數(shù)據(jù)寫入和擦除操作是如何進(jìn)行的？

寫入操作通過隧穿效應(yīng)注入電子，而擦除操作則利用熱載流子注入來釋放電荷。兩者都需要高壓電路，從而隨著時間的推移對氧化層施加應(yīng)力。

在編程期間，電壓差（控制柵極上為 7-10V，襯底上為 0V）會產(chǎn)生足夠強(qiáng)的電場，將電子推過隧道氧化物。擦除時，需要施加 20V 的襯底偏壓，從而逆轉(zhuǎn)這一過程，將電子拉回。但問題在于：擦除會影響整個塊（256KB-4MB），而不是單個字節(jié)。為什么？因為在每個單元上施加如此高的電壓需要不切實際的電路。打個比方：重新粉刷整面墻（塊）比修補(bǔ)散落的磚塊（字節(jié)）更容易。SSD 通過過度配置來減輕擦除開銷——保留額外的單元以分散磨損。但是，過多的寫入仍然會在氧化物中產(chǎn)生電子陷阱，從而永久性地提高單元的閾值電壓。

糾錯在閃存壽命中起什么作用？

ECC 算法可以檢測/糾正由電荷泄漏或?qū)懭敫蓴_引起的位錯誤。像 LDPC 這樣的高級方案可以補(bǔ)償老化單元帶來的問題，但會增加延遲。

由于閃存單元要承受編程/擦除周期，因此氧化物磨損會增加誤碼率 (BER)。SLC（1 位/單元）可能使用基本 BCH 碼承受 10 萬次循環(huán)，而 TLC（3 位/單元）需要強(qiáng)大的 LDPC 碼承受 10000 次循環(huán)。將 ECC 想象成數(shù)據(jù)的拼寫檢查 - 小錯誤會自動修復(fù)，但太多拼寫錯誤則需要重寫整個段落（數(shù)據(jù)重試）。從技術(shù)上講，LDPC 使用概率模型來猜測原始電荷，但這需要更多的計算能力。禁用 ECC 以提高速度（例如，在 DIY SSD 項目中）可能會導(dǎo)致靜默數(shù)據(jù)損壞。除了軟件之外，跨芯片的 RAID 式冗余等硬件技術(shù)也有幫助。你知道嗎？QLC NAND 中 1% 的 BER 在 3 年后可能會激增至 25% - 因此消費(fèi)級 SSD 通過積極的 ECC 來隱藏這一點。

磨損均衡如何延長閃存壽命？

損耗均衡技術(shù)利用固件映射將寫入操作均勻分布到各個塊。動態(tài)和靜態(tài)方法可防止「熱點」過早損壞單元。

閃存控制器通過邏輯到物理地址表跟蹤每個塊的擦除次數(shù)。動態(tài)損耗均衡將新寫入重定向到較少使用的塊，而靜態(tài)損耗均衡則定期移動陳舊數(shù)據(jù)。這就像汽車輪胎的旋轉(zhuǎn)一樣——均勻的磨損可以最大化總里程。例如，具有 3K 耐久性和 10% 過度配置的 1TB SSD 可以處理 3.3PB 的寫入量，相當(dāng)于 20 年內(nèi)每天寫入 45GB。但實際上，由于小規(guī)模隨機(jī)寫入導(dǎo)致的寫入放大，控制器通常會更早出現(xiàn)故障。專業(yè)提示：使用 TRIM 命令標(biāo)記已刪除的文件，讓控制器在空閑時間預(yù)擦除塊。但是，損耗均衡無法解決固有的單元性能退化問題——最終，所有 NAND 都會變得不可靠。

為什么閃存單元的性能會隨著時間推移而下降？

反復(fù)的隧穿效應(yīng)會對氧化層造成應(yīng)力，形成阻礙電荷移動的電子陷阱。累積的損傷會導(dǎo)致漏電流增加，直至電池?zé)o法維持規(guī)定的電壓水平。

每個編程/擦除周期都會在二氧化硅晶格中產(chǎn)生缺陷。最初，ECC 會掩蓋這些錯誤，但最終陷阱會累積，使單元變得「粘滯」——它們要么無法完全充電（編程干擾），要么泄漏太快（數(shù)據(jù)保留失敗）?？梢园阉胂蟪苫▓@水管：細(xì)小的裂縫會導(dǎo)致小泄漏（可糾正錯誤），但完全破裂則需要更換（壞塊）。從技術(shù)上講，磨損的 QLC 中的數(shù)據(jù)保留時間會從 10 年（新的 SLC）下降到數(shù)月。高溫環(huán)境會加速這一過程——數(shù)據(jù)中心會主動將 SSD 冷卻至 15°C 以下。