固態硬盤對於用戶或者企業來說，需求是不一樣的，普通用戶需求是快，企業需求是穩定，所以，分為企業級和消費級固態硬盤。然而兩者最沒有區別的是存儲介質，即NAND Flash。今天的主角就是NAND Flash，閒話少說，下面讓我們走進NAND Flash。
NAND Flash的由來
NAND Flash即閃存，1989年，東芝公司發表了NAND Flash結構，強調降低每比特的成本，更高的性能，並且像磁盤一樣可以通過接口輕鬆升級。因為Nand-flash存儲器具有容量較大，改寫速度快等優點，適用於大量數據的存儲，因而在業界得到了越來越廣泛的應用。直到現在一直存儲行業主要的存儲介質。
NAND Flash 工作原理
閃存是利用存儲電子狀態來記錄和表達不同的數據，電子被存儲在Floating Gate浮動柵極中，通過在Control Gate控制柵極施加一個闕值電壓，判斷源極與漏極是否導通，就能判斷浮動柵極中是否存儲有電子，從而實現閃存中數據的讀取與寫入。
- 最早的NAND Flash是SLC(single-level cell），即每個存儲單元cell可以記錄1比特數據。對於SLC閃存來說，在閃存浮動柵極中，若通的電壓大於闕值，即cell中有電子，說明已經編程program，即為0；反之，則為1。擦過程就是將柵極的電子全部”放掉“，使它們變回1。
- MLC（Multi-level cell)多階存儲單元，其每個存儲單元cell存儲2bit的數據，存儲的數據是00、01、10、11四種狀態，也是基於電壓的閾值的判定，其被分成4份。因為存儲的bit多，其容量也會大一些，但是其存儲單元中存放更多的數據，結構也會複雜，數據出錯的概率變大，對技術的要求更高。
- TLC（TrinaryLevel Cell）即3bit/cell,每個存儲單元需要記錄3比特數據，bit狀態存在8種，需要用到7種參考電壓來隔離這8種狀態。TLC的寫入過程也就需要更多次的比對和確認，寫入速度隨之降的更低了。
- QLC=Quad-Level Cell，即4bit/cell，每Cell可以存放4bits數據，相比TLC，儲存密度又提升了33%，但是電壓變化卻有16種之多，導致可擦寫壽命僅有100~150次。單Cell的讀寫速度現在沒有廠商公開資料，估計相比TLC還要進一步降低。
在介紹完SLC、MLC、TLC、QLC之後，我們進行對比一下，他們各有什麼優缺點，導致各大廠商爭先恐後的研究堆疊層數更高，從3D NAND往4D NAND 發展。
由圖可知，SLC—QLC其壽命逐漸降低，P/E次數逐漸減少，同樣，價格也逐漸便宜，成本降低，容量變大，何樂而不為呢？
過去平面閃存使用FT浮動柵極層作為電子的容器，當代3D閃存主要使用CT電荷捕獲層存儲電子。下圖是平面閃存與東芝BiCS三維閃存的結構對比：
由於BiCS結構增大了存儲單元間隔，就可以增大單次編程序列的數據量來提升寫入速度。同時，由於讀寫干擾降低，閃存數據出錯率下降，BiCS也帶來更高的寫入/擦除循環次數，也就是我們平時說的“寫入壽命”。看到這裡，你是不是已經對閃存已經有了深入的瞭解，但是技術前沿，還在後頭。
SK海力士量產4D NAND
2019年6月，SK海力士成功研發並量產全球首款128層的1Tb(Terabit,兆兆位) 三層單元（Triple Level Cell, TLC） 4D NAND閃存。
和其他廠家不同的是，這款128層NAND閃存是業界主流的三層單元（TLC）閃存芯片，當其他公司正通過構建96層四層單元（Quadruple Level Cell, QLC）實現1Tb NAND閃存產品的開發，SK海力士已經率先通過TLC實現超大容量NAND閃存的商業化，並取得了比QLC更好的性能和更快的處理速度。
據稱，SK海力士利用基於電荷捕獲型（Charge Trap Flash, CTF）的4D NAND閃存平臺。實現了業內最高的閃存垂直堆疊密度，單顆芯片集成超過3,600億個NAND單元，每個單元可存儲3比特(bit)。與現有的96層4D NAND芯片相比，相同面積的存儲容量提高了30%，數據讀寫耗時降低了16%。此外，每顆晶圓可生產的比特容量也增加了40%，與以往技術轉移相比，96層NAND向128層NAND過渡的投資成本降低了60%。另外，SK海力士計劃採用相同平臺進一步研發176層4D NAND
3D NAND是平面NAND閃存的後續產品，用於存儲應用，如智能手機和固態存儲（SSD）。 與平面NAND（2D結構）不同，3D NAND類似於垂直摩天大樓，其中水平層的存儲器單元被堆疊，然後使用微小的垂直通道連接。
2D NAND架構
3D NAND架構
3D NAND通過設備中堆疊的層數來量化。隨著更多層的添加，位密度增加。通過2D、3D、4D NAND的對比，大家對於閃存的興趣倍增，可能會大吃一驚。不言著急，下面還有：
XL-Flash 新技術加成 更低的讀延遲，是普通3D NAND的10倍以上
2020年3月份，鎧俠在ISSCC國際固態電路峰會上進一步披露其XL-Flash技術信息，與英特爾/美光的3D XPoint和三星Z-NAND相似，是介於傳統DRAM和NAND Flash之間介質，屬於SCM（存儲級存儲器），將為大數據應用程序和複雜工作負載性提供變革和突破性存儲解決方案。
據鎧俠進一步介紹，XL-Flash技術是基於96層3D NAND，使用16-Plane平面結構，單顆Die容量128Gb，我們目前的TLC，單顆Die僅為2-Plane，尺寸為96.34mm²，等於1.33Gb/mm²。與普通3D NAND相比，鎧俠96層TLC 3D NAND量產512Gb，單顆Die尺寸86.1mm²，等於5.95Gb/mm²，若採用96層QLC 3D NAND量產1.33Tb，顆Die尺寸158.4mm²，等於8.59Gb/mm²。就目前而言，XL-Flash技術初期階段的單顆Die容量遠不及3D NAND，再加上尺寸更大，相同Wafer晶圓生產的總GB當量也更少。
鎧俠XL-FLASH技術雖然目前在容量方面相對遜色，但在延遲方面，因為並非是簡單在3D BiCS架構下對SLC NAND的復刻，其Plane設置也遠小於普通3D NAND，因為單個Page大小降低到了4KB，使其讀取延遲低至4us，寫入延遲75us。鎧俠的普通96層3D NAND單個Page大小為16KB+ECC，讀取延遲58us，寫入延遲561us。相比之下，XL-Flash技術延遲要遠低於普通3D NAND，尤其是在讀延遲上更是低於10倍以上。
當下，主流的存儲產品主要有SRAM、DRAM、SCM、Flash Memory、HDD，延遲依次從低到高，成本則從高到低。存儲級存儲器SCM相較普通的NAND擁有更快的速度、更低的延遲，較DRAM則容量更大，成本相對較低，基於鎧俠XL-Flash技術，已有品牌廠開始部署NVMe SSD，容量高達800GB，未來也可能用於NVDIMM內存條，用於滿足要求密集型數據中心領域存儲應用。
隨著5G、大數據、人工智能、物聯網等數據的爆炸式增長， 2019年全球數據量達41ZB，而到2025年將激增至175ZB，在數據量驚人的同時，傳統的存儲解決方案在數據存儲容量、成本、性能等方面的瓶頸也越發凸顯，這需要企業不斷有新的方案優化存儲架構，以及新的技術、新的突破，來迎接挑戰。
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