升級(jí)固態(tài)硬盤后， 為提升NAND可靠性需要闖過“三關(guān)”

10 月 1 日消息，根據(jù)英特爾官網(wǎng)上的信息顯示，自 2022 年 10 月 3 日起，英特爾 NAND 固態(tài)硬盤產(chǎn)品的所有技術(shù)和保修支持均將由 Solidigm 直接提供。

IT之家曾報(bào)道，今年 8 月，Solidigm 剛剛推出了旗下首款消費(fèi)級(jí) NVMe SSD，它就是采用了 PCIe 4.0 x4 主控 + QLC 閃存方案的 P41 Plus 系列。有傳聞稱，Solidigm P41 Plus 是 Intel 670P 的精神續(xù)作。

Solidigm P41 Plus 系列可選 M.2 2230 / 2242 / 2280 的外形，以及 512GB / 1TB / 2TB 容量。官方宣稱這款 SSD 具有 4125 MB/s 的持續(xù)讀取速度，以不超過日常 PC 用戶預(yù)算的價(jià)格提供出色的 PCIe 4.0 性能體驗(yàn)。

英特爾 的 NAND 固態(tài)硬盤業(yè)務(wù)于 2020 年 11 月被 SK Hynix(海力士)收購。去年年底，SK 海力士在完成收購英特爾 NAND 閃存及 SSD 業(yè)務(wù)案的第一階段后，在美國設(shè)立的 SSD 子公司，命名為 Solidigm。

SSD 固態(tài)硬盤是電腦升級(jí)的推薦首選。比傳統(tǒng)硬盤快上數(shù)倍的優(yōu)異傳輸速度，運(yùn)行中安靜無噪音，其抗震動(dòng)、低耗電的特性更是符合手提電腦裝置針對(duì)數(shù)據(jù)保護(hù)及高續(xù)航力的需求。

無論臺(tái)式機(jī)或筆記本，替換傳統(tǒng)舊硬盤并升級(jí)固態(tài)硬盤后，即可縮短開機(jī)時(shí)間、加快加載速度，讓你不必花大錢買新電腦，即刻體驗(yàn)有感升級(jí)。

大部分的固態(tài)硬盤由三個(gè)主要零件組成，包含Controller控制芯片、DRAM以及NAND flash閃存?？刂菩酒荖AND flash與電腦的主要溝通橋梁;NAND flash則是由多個(gè)區(qū)塊的非易失性內(nèi)存顆粒所構(gòu)成，也是數(shù)據(jù)主要儲(chǔ)存的地方。DRAM是易失性內(nèi)存，需要持續(xù)供給電源才有儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的能力，為非必要的組成零件?，F(xiàn)今市面上銷售的無DRAM固態(tài)硬盤，適合想要升級(jí)卻沒有足夠預(yù)算的消費(fèi)者。

NAND flash閃存分為單層儲(chǔ)存單元 (SLC)、多層儲(chǔ)存單元 (MLC)、三層儲(chǔ)存單元 (TLC) 三種類型。SLC擁有傳輸速度快與使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)，提供約十萬次的抹寫次數(shù)，唯一缺點(diǎn)就是單價(jià)成本高，所以市面上僅有小容量銷售。MLC成本相對(duì)較SLC低，在效能與壽命方面較TLC佳，抹寫次數(shù)約三千次，足夠應(yīng)付日常電腦操作與游戲應(yīng)用。TLC是三者之中價(jià)格成本最便宜的，抹寫次數(shù)約一千次，僅適合消費(fèi)型應(yīng)用。

隨著二維的儲(chǔ)存單元能裝載的閃存顆粒發(fā)展到其物理極限，最新3D NAND技術(shù)突破平面限制，將儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)變?yōu)榱Ⅲw式設(shè)計(jì)，在同等體積下，提供更多的存儲(chǔ)空間與更優(yōu)異的效能表現(xiàn)。目前MLC與TLC均有3D NAND技術(shù)的應(yīng)用，而睿達(dá)存儲(chǔ)也正逐步導(dǎo)入3D NAND技術(shù)到2.5寸與M.2固態(tài)硬盤系列產(chǎn)品線。

SSD的性能不單取決于主控，閃存顆粒也會(huì)影響SSD的實(shí)際性能，并且閃存的質(zhì)量也會(huì)影響SSD的速度、性能和使用壽命。所以用戶購買SSD時(shí)，為避免踩坑，有必要深入了解下SSD閃存顆粒即NAND Flash的相關(guān)知識(shí)。

NAND Flash全名為Flash Memory，屬于非易失性存儲(chǔ)設(shè)備(Non-volatile Memory Device)，基于浮柵(Floating Gate)晶體管設(shè)計(jì)，通過浮柵來鎖存電荷，由于浮柵是電隔離的，所以即使在去除電壓之后，到達(dá)柵極的電子也會(huì)被捕獲。這就是閃存非易失性的原理所在。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這類設(shè)備中，即使斷電也不會(huì)丟失。

與具有固定閾值電壓的常規(guī) MOSFET 不同，F(xiàn)GMOS 的閾值電壓取決于存儲(chǔ)在浮柵中的電荷量，電荷越多，閾值電壓越高。與常規(guī) MOSFET 類似，當(dāng)施加到控制柵極的電壓高于閾值電壓時(shí)，F(xiàn)GMOS 開始導(dǎo)通。因此，通過測量其閾值電壓并將其與固定電壓電平進(jìn)行比較來識(shí)別存儲(chǔ)在 FGMOS 中的信息，被稱為閃存中的讀操作。

SSD用戶的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)于NAND閃存里，它是SSD的存儲(chǔ)媒介，也是成本最高的部分。NAND Flash是目前閃存中最主要的產(chǎn)品，具備非易失、高密度、低成本的優(yōu)勢。被廣泛用于 eMMC/eMCP，U盤，SSD等市場。

NAND Flash閃存的主要分類以NAND閃存顆粒的技術(shù)為主，NAND閃存顆粒根據(jù)存儲(chǔ)原理分為SLC、MLC、TLC和QLC四類，分別是：

SLC(英文全稱(Single-Level Cell——SLC)即單層式儲(chǔ)存

SLC技術(shù)特點(diǎn)是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄，在寫入數(shù)據(jù)時(shí)通過對(duì)浮置閘極的電荷加電壓，然后透過源極，即可將所儲(chǔ)存的電荷消除，通過這樣的方式，便可儲(chǔ)存1個(gè)信息單元，即1bit/cell，速度快壽命最長，價(jià)格貴(約MLC 3倍以上的價(jià)格)，約10萬次擦寫壽命。

MLC(英文全稱Multi-Level Cell——MLC)即多層式儲(chǔ)存

英特爾(Intel)在1997年9月最先開發(fā)成功MLC，其作用是將兩個(gè)單位的信息存入一個(gè)Floating Gate(閃存存儲(chǔ)單元中存放電荷的部分)，然后利用不同電位(Level)的電荷，通過內(nèi)存儲(chǔ)存的電壓控制精準(zhǔn)讀寫。

即2bit/cell，速度一般壽命一般，價(jià)格一般，約3000---1萬次擦寫壽命。MLC通過使用大量的電壓等級(jí)，每個(gè)單元儲(chǔ)存兩位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度比較大，可以一次儲(chǔ)存4個(gè)以上的值，因此，MLC架構(gòu)可以有比較好的儲(chǔ)存密度。

TLC(英文全稱Trinary-Level Cell)即三層式儲(chǔ)存

TLC即3bit per cell，每個(gè)單元可以存放比MLC多1/2的數(shù)據(jù)，共八個(gè)充電值，即3bit/cell，也有Flash廠家叫8LC，所需訪問時(shí)間更長，因此傳輸速度更慢。

TLC優(yōu)勢價(jià)格便宜，每百萬字節(jié)生產(chǎn)成本是最低的，價(jià)格便宜，但是壽命短，只有約1000次擦寫壽命。

QLC(英文全稱Quadruple-Level Cell)四層存儲(chǔ)單元

全稱是Quad-Level Cell，四層式存儲(chǔ)單元，即4bits/cell。QLC閃存顆粒擁有比TLC更高的存儲(chǔ)密度，同時(shí)成本上相比TLC更低，優(yōu)勢就是可以將容量做的更大，成本壓縮得更低，劣勢就是壽命更短，理論擦寫次數(shù)僅150次。

隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)增長趨勢，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI等新興技術(shù)的發(fā)展使得數(shù)據(jù)來源和結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜多樣，基于數(shù)據(jù)的智慧應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，帶來了對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)質(zhì)量、傳輸速度等性能需求的提升。固態(tài)硬盤憑借著高性能及其價(jià)格的持續(xù)優(yōu)化、綠色節(jié)能的特點(diǎn)，成為了IT核心基礎(chǔ)設(shè)施重要選擇，滿足數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代對(duì)高性能、高可靠、容量、綠色節(jié)能的需求。NAND Flash作為SSD閃存盤的基礎(chǔ)單元，就像是超市內(nèi)部的貨架，其可靠性是存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ)保證，浪潮存儲(chǔ)堅(jiān)持科技創(chuàng)新與工匠精神，結(jié)合用戶的場景要求，針對(duì)NAND Flash可靠性測試進(jìn)行了全方位的探索和創(chuàng)新，不斷打磨優(yōu)化確保SSD的高可靠性。

提升NAND可靠性 需要闖過“三關(guān)”

浪潮存儲(chǔ)基于大量的NAND測試數(shù)據(jù)，在反復(fù)探索和實(shí)踐推理過程中發(fā)現(xiàn)了企業(yè)級(jí)固體硬盤普遍面臨三個(gè)挑戰(zhàn)：

首先，NAND特性會(huì)影響數(shù)據(jù)的可靠性。例如NAND中未寫滿數(shù)據(jù)的塊因數(shù)據(jù)保存能力低會(huì)導(dǎo)致RBER ( Raw Bit Error Rate，原始比特錯(cuò)誤率)升高，經(jīng)過大規(guī)模NAND測試和數(shù)據(jù)分析，量化不同階段影響程度，可以制定出最優(yōu)方法去減少影響并提升固體硬盤的可靠性。

其次是默認(rèn)讀電壓未能最佳適配NAND特性不能滿足QoS(Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量)要求。大量實(shí)際業(yè)務(wù)讀寫場景中5K P/E(Program/Erase，寫入/擦除)下數(shù)據(jù)保存能力達(dá)到90天時(shí)就嚴(yán)重超出了LDPC(Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校驗(yàn))糾錯(cuò)能力，所以NAND測試需給出最優(yōu)電壓來滿足服務(wù)質(zhì)量要求;

第三是NAND廠商提供的Read Retry表如果不夠精細(xì)，不經(jīng)實(shí)際測試校驗(yàn)檢測使用會(huì)影響產(chǎn)品的服務(wù)質(zhì)量。

全面NAND Flash測試為產(chǎn)品優(yōu)化提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)

浪潮存儲(chǔ)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在研究分析全球主流NAND Flash所有特性后，針對(duì)NAND Flash測試分析制定了測試流程，并研發(fā)了一款測試分析儀，能給為產(chǎn)品的優(yōu)化提供詳細(xì)數(shù)據(jù)，提升SSD的可靠性。

第一步是原廠屬性核驗(yàn)，主要核驗(yàn)原廠所提供的Timing、壞塊等原廠屬性數(shù)據(jù)的一致性和偏差閾值;第二步是NAND Flash特性極值摸底挖掘，主要是摸底First Read、最優(yōu)讀取電壓等屬性的極值;第三步是最優(yōu)讀電壓的驗(yàn)證和優(yōu)化以及LLR Table(Log likelihood ratio table，對(duì)數(shù)似然比表)的生成，考慮到同型號(hào)不同批NAND也存在部分細(xì)微差異，對(duì)同一型號(hào)每一批次NAND Flash都要進(jìn)行充分驗(yàn)證以保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為了更加全面準(zhǔn)確的獲取測試結(jié)果，浪潮存儲(chǔ)自主研發(fā)了NAND Prober HX9000測試分析儀。