NAND闪存颗粒结构及工作原理

       前一节谈SLC和MLC的区别时，我们说到NAND闪存是一种电压元件，靠其内存电压来存储数据，现在我们就来谈谈它的结构及工作原理。
       闪存的内部存储结构是金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET)，里面有一个浮置栅极(Floating Gate)，它便是真正存储数据的单元。请看下图：
            
       数据在闪存的存储单元中是以电荷(electrical charge) 形式存储的。存储电荷的多少，取决于图中的控制栅极（Control gate）所被施加的电压，其控制了是向存储单元中冲入电荷还是使其释放电荷。而数据的表示，以所存储的电荷的电压是否超过一个特定的阈值Vth来表示。
       1.对于NAND闪存的写入（编程)，就是控制Control Gate去充电（对Control Gate施加电压），使得浮置栅极存储的电荷够多，超过阈值Vth，就表示0。
       2.对于NAND Flash的擦除(Erase)，就是对浮置栅极放电，低于阈值Vth，就表示1。
            
       上图是一个8Gb 50nm的SLC颗粒内部架构，每个page有33,792个存储单元，每个存储单元代表1bit(SLC)，所以每个page容量为4096Byte + 128Byte（SA区）。每个Block由64个page组成，所以每个Block容量为262,114Byte + 8192Byte （SA区）。Page是NAND Flash上最小的读取/写入（编程）单位（一个Page上的单元共享一根字符线Word line），Block是NAND Flash上最小的擦除单位。不同厂牌不同型号颗粒有不同的Page和Block容量。
       如上所述，大家应该发现了，写入时，是在字符线上加压以写入数据，擦除时则是在位线上加压，因为一个块共享一条位线，这也是擦除的单位是块而不是页的原因，同理写入的最小单位是页的原因大家想必也已明白。
       下图是个8Gb 50nm的SLC芯片，4KB+128字节的页大小，256KB+8KB的块大小。图中每个页内4096字节用于存储数据，另外128字节用于管理和ECC等。
            
       NAND闪存还会利用多Plane设计以提升性能，请看下图：
            
       多Plane设计的原理很简单，从上图中（Micron 25nm L73A)我们看到，一个晶片内部分成了2个Plane，而且2个Plane内的Block编号是单双交叉的，想象我们在操作时，也可以进行交叉操作（一单一双）来提升性能，根据测试，某些情况下性能可以比单Plane设计提高约50%以上。
            
       上图向大家清楚说明了多Plane设计提升性能的原因。
       在前面的SSD基本架构中，我们提及了交叉读写（Interleave）算法，这个算法的作用是什么呢？
       前面所说的是针对单个晶片内部的多Plane进行操作，这里的Interleave指的是对单通道下多个晶片进行操作。打个比方，下图为64G的m4 SSD，颗粒为8颗粒L73A（每个颗粒内部2个Die封装)，那么作为8通道的主控制器，每个通道里可以同时对2个Die(4个Plane）进行操作，达到提速的目的。
            
       假设上面是单通道的操作模式，下图上面部分就是一个通道上有1个Die，下面部分则是一个通道上有2个Die。假定1次读取需要5个时钟周期，一个方块代表1个时钟周期，第五个时钟周期数据即可传输完成，2个Die的时候采用交错操作，第一个时钟周期时Die 1 发送完读取指令后在第二个时钟周期时，Die 2接着发送读取指令，这样就能接近成倍的提升性能，这也就是为什么m4的128G写入速度比64G写入速度快一倍的道理。