3d nand flash

2D和3D NAND基础知识

闪存单元基本上是一个逻辑门，所有的逻辑门都使用易于理解的二进制输入/输出(I/O)关系。列出逻辑门输入和输出关系的表称为a真值表．

当东芝最初在20世纪80年代开始闪存时，内存设备基于两个明显不同类型的逻辑门：也不，代表非或，以及NAND，代表非和。这两种设计都将数据存储在由浮动栅晶体管(fgt)构建的存储单元中。

今天，NAND已经成为最流行和最广泛使用的闪存单元类型。下面的两个插图展示了基础数字电子学学生的基本NAND和NOR门。

闪存因其非易失性而广受欢迎。也就是说，每个存储单元都可以保持二进制状态，即逻辑上的0或1(数据)，而不需要持续供电。这与动态RAM (DRAM)截然不同，在动态RAM中，每个内存单元都必须不断刷新以保持其二进制状态。非易失性可重写存储器为各种设备提供了方便的便携式存储设备，如成像和视频记录设备，用于传输文件和数据的拇指驱动器，以及实用的固态驱动器(SSD.)设备。

与动态RAM一样，使用以水平二维矩阵布置的存储器单元设计和制造2D闪光灯设备。由于硅模具上的空间有限，这一经过精心证实的方法会带来容量和性能挑战 - 芯片本身。为了提高存储容量，所得到的存储器单元必须较小，模具大或两者。由于内存单元制造在当今制造技术的限制范围内无法越来越小，因此由此产生的2D闪存设备必须变大，呈现更大，呈现在添加的存储器单元之间的更长连接潜伏和减少表现。因此，2D闪光灯设备目前限于128 GB的容量。

3D闪存设备通过将存储单元堆叠成垂直层而不是单一的水平层来提高容量和性能。这有效地增加了给定区域的可用内存单元，在使用更小的占用面积的同时支持更大的存储容量。此外，堆叠使每个内存单元的整体连接更短，支持更快的内存性能。3D flash是一种相对较新的制造方法，但256gb和512gb的容量可能用于更大的存储设备。

Flash和3D NAND如何工作？

闪存是一种高级类型的可电可擦除可编程只读存储器（EEPROM） - 传统上包含固件的非易失性存储器，例如PC中的BIOS。闪存存储晶体管阵列中的数据，可以设计为存储一个，两个，三个或四个数据位。金属氧化物半导体基于用于制造存储器单元的浮栅晶体管（FGT）使用两个门而不是一个栅极。一个栅极是浮栅，另一个栅极是控制栅极。实际上，该系列栅极用作控制栅极捕获电子并将电子移动到控制栅极的开关。这种架构使晶体管能够在去除电力时保留每个存储器单元的状态。

与较旧的传统EEPROM一样，必须在可以重写之前删除闪存单元格。EEPROM逐个字节擦除数据字节。在闪存设备中，隧道电子清除浮栅上的任何充电在一瞬间- 因此，名称闪存——允许重写内容。

NOR闪存的架构是为了提供对单个内存位置的高速访问，这使得NOR非常适合于依赖于最佳速度和访问的任务，如现代PC固件，有效地淘汰了旧的eeprom类型的设备。相比之下，NAND闪存被设计用来处理被调用的数据块页面．这使得NAND闪存非常适合高速顺序读取和写道用于视频和图像等高容量数据活动。NAND提供非常快速的读取操作，而且比NOR更便宜。因此，NAND闪存是主要的闪存技术对于许多消费和工业设备。

与DRAM不同，全闪存提供有限数量的内存擦除/项目周期一种被称为耐力．用于擦除存储器单元的隧道电子的行为最终导致存储器单元磨损并失败。随着细胞磨损和细胞失败，内存芯片的整体设计将用于重新定位坏细胞和坏块，从而导致写入程序所需的更多时间 - 减慢闪存性能。幸运的是，现代闪存设备的耐力是数千个擦除/程序周期。这一生延长了平均读写在擦除小区之前确保写入所有内存的技术，基本上防止了相同的存储单元子集经常被擦除和重写，而芯片的其他区域留下相对未使用。

为了实现从2D flash到3D flash的转变，制造过程中会在每个存储单元上叠加多层存储单元，并在各层之间进行互连。一个典型的3D NAND闪存芯片可以很容易地包含32到48个独立层，有64层、96层甚至128层设备。层的添加使得3D闪光比2D闪光制作更加困难和耗时。然而，层能够在存储设备中以更短的连接路径实现更大的位密度，这将带来更好的性能．

如今，3D NAND闪存设备在电脑(如平板电脑)以及存储设备(如USB (Universal Serial Bus) u盘、闪存阵列和企业级ssd)中很常见。

3D NAND与2D NAND的利弊

3D和2D NAND闪存设备均可随时可用，并在使用中。但是在选择存储任务的最佳技术时，存在权衡需要考虑。

容量。3D NAND闪存提供更高的存储容量 - 或数据密度 - 与2D NAND闪存相比。堆叠多个存储器单元以创建三维存储矩阵，可以为同一芯片区域带来明显更大的存储容量 - 占地面积。同样，更密集的芯片可以内置于更密集的，更高容量的设备（如SSD）中。例如，SSD易于以1 TB和2 TB容量提供。

成本。Flash与其他存储技术遵循相同的每字节成本关系，与2D NAND闪存相比，3D NAND闪存可以大大降低每字节成本。2017年，在制造工厂生产的2D NAND晶圆可能存储了1.6 TB，而3D NAND晶圆可能存储了超过17 TB。即使3D NAND晶片的成本几乎是2D NAND晶片的两倍，但3D晶片容量的显著提高使3D晶片的每字节成本大大降低NAND闪存技术．这使得3D NAND在许多类型的存储应用中更具成本效益。

性能和权力。当在2D矩阵中布置存储器单元时，有一个有限的距离来移动往和来自小区的比特。该距离等于时间或延迟。为了提高2D矩阵的存储容量，这些距离 - 因此延迟 - 必须增加，有效降低较大的2D NAND闪存设备的性能。通过堆叠和互连NAND存储器单元的层，物理距离 - 以及因此延迟 - 可以被缩减以在更高的存储容量下保持更高的性能。此外，3D NAND闪存可以用单通通量写入，并使用高于2D NAND的功率降低50％。

制造业的挑战。3D NAND闪光灯设备可能非常难以制造，需要数千个单独的流程来完成晶片到完成模具或芯片。错误或污染在制造过程的任何部分可以引入坏细胞并使整个模具无法使用。良好的制造要求对污染，极高的制造控制和材料纯度来说需要非凡的预防措施。

复杂的flash控制。尽管闪存技术不像DRAM那样需要刷新电路，但闪存确实需要复杂的数据管理和纠错控制来监督数据存储在闪存芯片上的方式。例如，一个3D NAND闪存可能需要重新映射——移动——整个块——页的存储，如果有那么多位失败，所以需要电路来检查位失败。与此同时，还需要额外的控制来平衡磨损:分散存储在整个芯片上的数据，以减少擦除/程序周期，并延长闪存设备的工作寿命。与2D NAND相比，3D NAND的这些控制更复杂。

NAND类型

NAND技术可以分解为几种特定设计，包括单级单元格（SLC），多级单元（MLC），三级单元（TLC.）和四级单元格（QLC）。具体设计通常涉及在每个NAND存储器单元中保持的比特数以及诸如耐久性的特性。3D NAND闪存设备通常可以使用MLC，TLC或QLC设计，但不是SLC。

单层细胞。SLC每个存储单元存储一位。因为每个擦除/程序周期只涉及一个细胞，所以平均而言，细胞被擦除和重写的频率最低，这导致了NAND存储器的一些最佳耐久性。一个典型的SLC设备可以被擦除和重写约60,000次。此外，存储单元的故障只影响相应的位，使故障更容易在闪存芯片中重新映射/包含。不幸的是，SLC也是最贵的NAND闪存类型，通常用于性能最高的关键任务企业任务，如数据库应用程序。

多层次的细胞。MLC每个存储单元存储两位。这提高了闪存设备的容量，并降低了成本，因为每个单元的比特数是SLC的两倍。但是持久性受到影响，因为当细胞被重写时，两个比特必须被擦除和重写，所以细胞损耗得更快。一个MLC设备可以被擦除和重写1500到3000次。尽管如此，对于大多数具有适度I/O需求的通用应用程序来说，性能和持久性仍然具有吸引力，而且MLC经常用于日常计算设备，如笔记本电脑。3D NAND可以使用MLC闪存。企业MLC是MLC的变体，提供了增强的磨损水平控制，提高了整体耐久性，使设备更适合企业环境。

三级单元格。TLC存储每个内存单元格的三位。这继续推动增加闪存容量和降低成本，但额外的比特略微降低性能，并且擦除/程序周期现在影响三位而不是一个或两个，更加降低设备耐久性。TLC更频繁地用于擦除/程序周期频繁的读重任务，有助于最大化耐久性并保持TLC设备的工作寿命。3D NAND可以采用TLC闪光灯，并且可以在500到3000次的位置重写典型的3D TLC设备。

Quad-level细胞。QLC存储每个内存单元格的四个位。该技术代表了最高的容量和最低成本，但它也构成了任何闪存技术的最低记忆单元耐久性和性能。先进的纠错和佩戴调平控制器有助于扩展QLC设备耐力，技术可以证明对于需要大量阅读的任务很有吸引力重写不频繁的地方 - 思考档案存储。典型的QLC单元可以重写约100次，但佩戴水平可以将其提高到约1000次。3D NAND可以使用QLC闪光灯。

3D NAND用例

闪存在移动、非挥发性和物理弹性(如冲击、压力和温度)等有用属性的广泛用例中具有吸引力。下面的示例提供了一些常见用例的横截面。

USB拇指驱动器。首次引入2002年，USB驱动器为所有类型的计算机用户提供小型，便携式的非易失性存储选项。实际上，USB驱动器是一种独立的存储子系统，包括高性能存储器容量以及所有控制电路。今天的USB驱动器达到128 GB。一些高端USB驱动器甚至包括加密和密码安全等功能。

闪存卡。闪速记忆卡首次出现在20世纪90年代中期，现在已经发展到为许多类型的电子设备提供插件方便，如相机、平板电脑和录像机，如gopro。今天的闪存卡可以提供多达256gb的存储容量，可以数据传输速率从80 Mbps到170 Mbps的任何地方。

ssd。ssd出现在从终端用户笔记本电脑到企业级存储阵列的各种设备中。ssd可以取代传统的硬盘驱动器，为计算系统带来极快的IOPS(每秒输入/输出操作)和更低的功耗，同时移除任何移动部件，提高驱动器的可靠性并消除噪音。今天的SSD产品可以在1-2 TB范围内轻松获得，并且现在可以与hdd的高容量和有竞争力的价格相匹敌。ssd通常用于flash存储阵列和其他计算部署，如超融合基础设施(HCI)产品。

3d NAND供应商

2013年，三星成为首家量产3D NAND闪存的制造商，命名为垂直NAND (V-NAND）.其他3D NAND制造商包括英特尔(Intel)和美光科技(Micron Technology);SK海力士;Kioxia(东芝更名)与西部数据的SanDisk合作。三星仍然拥有大部分的闪存市场份额截至2019年第四季度的35.5％．