NANDFlash、DDR、LPDDR的作用

一、NAND Flash

NAND Flash全名為Flash Memory，屬于非易失性存儲設(shè)備(Non-volatile Memory Device)，基于浮柵(Floating Gate)晶體管設(shè)計，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，到達柵極的電子也會被捕獲。這就是閃存非易失性的原理所在。數(shù)據(jù)存儲在這類設(shè)備中，即使斷電也不會丟失。

根據(jù)不同的納米技術(shù)，NAND Flash已經(jīng)歷了從SLC向MLC，再向TLC的過渡，正在向QLC邁進。NAND Flash憑借容量大、寫入速度快等特點，廣泛應(yīng)用于eMMC/eMCP，U盤，SSD、汽車、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

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

SLC技術(shù)特點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)時通過對浮置閘極的電荷加電壓，然后透過源極，即可將所儲存的電荷消除，通過這樣的方式，便可儲存1個信息單元，即1bit/cell，速度快壽命最長，價格貴（約MLC 3倍以上的價格），約10萬次擦寫壽命。

MLC（英文全稱Multi-Level Cell——MLC)即多層式儲存

英特爾（Intel）在1997年9月最先開發(fā)成功MLC，其作用是將兩個單位的信息存入一個Floating Gate（閃存存儲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)存儲存的電壓控制精準讀寫。

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

TLC（英文全稱Trinary-Level Cell）即三層式儲存

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

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

QLC（英文全稱Quadruple-Level Cell）四層存儲單元

全稱是Quad-Level Cell，四層式存儲單元，即4bits/cell。QLC閃存顆粒擁有比TLC更高的存儲密度，同時成本上相比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。

    PS：每Cell單元存儲數(shù)據(jù)越多，單位面積容量就越高，但同時導致不同電壓狀態(tài)越多，越難控制，所以導致顆粒穩(wěn)定性越差，壽命低，各有利弊。

不難看出，四種類型的NAND閃存顆粒性能各有不同。SLC單位容量的成本相對于其他類型NAND閃存顆粒成本更高，但其數(shù)據(jù)保留時間更長、讀取速度更快；QLC擁有更大的容量和更低的成本，但由于其可靠性低、壽命短等缺點，仍有待后續(xù)發(fā)展。

從生產(chǎn)成本、讀寫速度和使用壽命三方面來看，四類的排序都是：

SLC>MLC>TLC>QLC；

目前主流的解決方案為MLC與TLC。SLC主要針對軍工，企業(yè)級應(yīng)用，有著高速寫入，低出錯率，長耐久度特性。MLC主要針對消費級應(yīng)用，容量高于SLC 2倍，低成本，適合USB閃盤，手機，數(shù)碼相機等儲存卡，如今也被大量用于消費級固態(tài)硬盤上。

而NAND閃存根據(jù)對應(yīng)不同的空間結(jié)構(gòu)來看，這四類技術(shù)可又分為2D結(jié)構(gòu)和3D結(jié)構(gòu)兩大類，浮柵晶體管是主要用于2D FLASH，3D flash主要采用的是CT晶體管，浮柵是半導體，CT是絕緣體，二者在本質(zhì)和原理上就有區(qū)別。其區(qū)別在于：

2D結(jié)構(gòu)NAND Flash

2D結(jié)構(gòu)的存儲單元僅布置在芯片的XY平面中，因而使用2D閃存技術(shù)在同一晶圓中實現(xiàn)更高密度的唯一方法就是縮小制程工藝節(jié)點。

其缺點是，對于較小的節(jié)點，NAND閃存中的錯誤更為頻繁；另外，可以使用的最小制程工藝節(jié)點存在限制，存儲密度不高。

3D結(jié)構(gòu)NAND Flash

為了提高存儲密度，制造商開發(fā)了3D NAND或V-NAND（垂直NAND）技術(shù)，該技術(shù)將Z平面中的存儲單元堆疊在同一晶圓上。

    在3D NAND閃存中，存儲器單元作為垂直串連接而不是2D NAND中的水平串，以這種方式構(gòu)建有助于為相同的芯片區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高位密度。第一批3D Flash產(chǎn)品有24層。

Nand Flash的加工過程

NAND Flash是從原始的硅材料加工出來的，硅材料被加工成晶圓(Wafer)，一般分為6英寸、8英寸、12英寸規(guī)格不等，晶片就是基于這個wafer上生產(chǎn)出來的，一片晶圓可以切割出多少晶片是根據(jù)die的大小和wafer的大小以及良率來決定的，通常情況下，一片晶圓上可以做出幾百顆NAND FLASH芯片。

芯片未封裝前的晶粒成為Die，它是從Wafer上用激光切割而成的小片，每個Die就是一個獨立的功能芯片，它由無數(shù)個晶體管電路組成，但最終可被作為一個單位封裝起來成為閃存顆粒芯片。

一片載有NAND Flash晶圓的wafer，wafer首先經(jīng)過切割，然后測試，測試通過后，再進行切割、封裝，封裝完成后會再次進行一道檢測。將完好的、穩(wěn)定的、足容量的die取下，封裝形成日常所見的Nand 。

在wafer上剩余的，要么就是不穩(wěn)定、要么就是部分損壞所以不足容量，或者是完全損壞。原廠考慮到質(zhì)量保證，會將這種die宣布死亡，嚴格定義為廢品全部報廢處理。

合格的Flash Die原廠封裝工廠會根據(jù)需要封裝成eMMC、TSOP、BGA、LGA等產(chǎn)品，但封裝的時候也有不良，或者性能不達標，這些Flash顆粒會再次被過濾掉，通過嚴格的測試確保產(chǎn)品的品質(zhì)。

閃存顆粒制造廠商主要以三星(Samsung)、SK海力士（Hynix）、美光（Micron）、鎧俠（原Toshiba）、Intel、閃迪（Sandisk）等為代表的幾大廠商。

在國外NAND Flash主導市場的現(xiàn)狀下，中國NAND Flash廠商長江存儲（YMTC）異軍突起在市場中占據(jù)一席之地，其推出的128層3D NAND在2020年第1季將128層3D NAND樣品送交存儲控制器廠商，目標第3季進入投片、量產(chǎn)，擬用于UFS、SSD等各類終端產(chǎn)品，并同時出貨給模塊廠，包含TLC以及QLC產(chǎn)品，以擴大客戶基礎(chǔ)。

NAND Flash的應(yīng)用及發(fā)展趨勢

NAND Flash作為一種比較實用的固態(tài)硬盤存儲介質(zhì)，有自己的一些物理特性。NAND Flash的壽命不等于SSD的壽命，SSD盤可以通過多種技術(shù)手段從整體上提升SSD的壽命，通過不同的技術(shù)手段，SSD盤的壽命可以比NAND Flash壽命提升20%~2000%不等。

反過來講SSD的壽命不等于NAND Flash的壽命，NAND Flash的壽命主要通過P/E cycle來表征，SSD由多個Flash顆粒組成，通過盤片算法，可有效發(fā)揮顆粒壽命。

基于NAND Flash的原理和制造工藝，所有主要的閃存制造商都積極致力于開發(fā)不同的方法，以降低每比特閃存的成本，同時正在積極研究增加3D NAND Flash中垂直層的數(shù)量。

隨著3D NAND技術(shù)的快速發(fā)展，QLC技術(shù)不斷成熟，QLC產(chǎn)品也已開始陸續(xù)出現(xiàn)，可以預見QLC將會取代TLC，猶如TLC取代MLC一樣。而且，隨著3D NAND單die容量不斷翻倍增長，這也將推動消費類SSD向4TB邁進，企業(yè)級SSD向8TB升級，QLC SSD將完成TLC SSD未完成的任務(wù)，逐漸取代HDD，這些都逐步的影響著NAND Flash市場。

研究統(tǒng)計范圍包括8 Gbit、4Gbit、2Gbit以及其他小于16Gbit的SLC NAND閃存，產(chǎn)品應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、工業(yè)、通信和其他相關(guān)行業(yè)。

國際原廠引領(lǐng)3D NAND 技術(shù)發(fā)展，在 NAND Flash 市場中，三星、鎧俠（東芝）存儲、美光、SK 海力士、閃迪、英特爾這六家原廠長期壟斷著全球 99％以上的份額。

此外，國際原廠持續(xù)引領(lǐng)著3D NAND技術(shù)研發(fā)，形成了較為厚實的技術(shù)壁壘。但各原廠在設(shè)計方案上 的差別將會對其產(chǎn)出產(chǎn)生形成一定影響。三星、SK海力士、鎧俠、閃迪已經(jīng)相繼發(fā)布最新100+層3D NAND產(chǎn)品。

當前階段，NAND Flash 市場的發(fā)展主要受到智能手機和平板電腦需求的驅(qū)動。相對于機械硬盤等傳統(tǒng)存儲介質(zhì)，采用NAND Flash 芯片的SD 卡、固態(tài)硬盤等存儲裝置沒有機械結(jié)構(gòu)，無噪音、壽命長、功耗低、可靠性高、體積小、讀寫速度快、工作溫度范圍廣，是未來大容量存儲的發(fā)展方向。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，NAND Flash 芯片將在未來得到巨大發(fā)展。

二、DDR、LPDDR

     DDR全稱Double Data Rate雙倍速率同步動態(tài)隨機存儲器，嚴格的來講，DDR應(yīng)該叫DDR SDRAM。雖然美國固態(tài)技術(shù)協(xié)會2018年宣布正式發(fā)布DDR5標準，但實際上最終的規(guī)范要到2020年才能完成，其目標是將內(nèi)存帶寬在DDR4基礎(chǔ)上翻倍，速率3200MT/s起，最高可達6400MT/s，電壓則從1.2V降至1.1V，功耗減少30%。

LPDDR是在DDR的基礎(chǔ)上多了LP(Low Power)前綴,全稱是Low Power Double Data Rate SDRAM，簡稱“低功耗內(nèi)存”是DDR的一種，以低功耗和小體積著稱。目前最新的標準LPDDR5被稱為5G時代的標配，但目前市場上的主流依然是LPDDR3/4X。

DDR和LPDDR有什么不同呢？

應(yīng)用領(lǐng)域不同。DDR因其更高的數(shù)據(jù)速率、更低的能耗和更高的密度廣泛應(yīng)用于平板電腦、機頂盒、汽車電子、數(shù)字電視等各種智能產(chǎn)品中，尤其是在疫情期間，由于在家辦公、網(wǎng)課和娛樂的增加，平板電腦、智能盒子的需求也逐步攀升，這對DDR3、DDR4的存儲性能要求更高、更穩(wěn)定。

而LPDDR擁有比同代DDR內(nèi)存更低的功耗和個小的體積，該類型芯片主要應(yīng)用于移動式電子產(chǎn)品等低功耗設(shè)備上。

LPDDR和DDR之間的關(guān)系非常密切，簡單來說，LPDDR就是在DDR的基礎(chǔ)上面演化而來的，LPDDR2實在DDR2的基礎(chǔ)上演化而來的，LPDDR3則實在DDR3的基礎(chǔ)上面演化而來的，以此類推。但是從第四代開始，兩者之間有了差別或者說走上了不同的發(fā)展，主要因為DDR內(nèi)存主要是通過提高核心頻率從而提升性能，而LPDDR則是通過提高Prefetch預讀取位數(shù)而提高使用體驗。同時在商用方面，LPDDR4首次先于DDR4登陸消費者市場。

以目前使用量最高的DDR4和LPDDR4來舉例，LPDDR4是通過兩個16位通道組成的32位總線，而DDR4卻具備原生64位通道，LPDDR4的Prefetch預讀取位位16位，而DDR4為8位，所以在實際運算的過程中，DDR4的性能利用率會更高，但LPDDR卻可以用耕地的功耗來獲得更高的理論性能。

所以，也不存在LPDDR5的技術(shù)比DDR5更先進，性能跟高這一說法，并且如果論性能的話，DDR的性能始終是高于同代的LPDDR內(nèi)存的性能的。

桌面級的DDR內(nèi)存在技術(shù)升級方面要慢于移動端，LPDDR內(nèi)存由于在便攜設(shè)備的功耗占比比較高，況且同時還擔負著顯存這一身份的重任，技術(shù)的迭代對于手機性能和功耗有著巨大的影響，所以相比較于DDR內(nèi)存，LPDDR內(nèi)存更容易被用戶感知。

因為和手機相比，電腦對功耗的要求沒有那么高，也沒有那么敏感，所以很多輕薄筆記本還在使用LPDDR3的內(nèi)存，即使最新的英特爾處理器也只支持LPDDR4X內(nèi)存，DDR5的正是規(guī)范標準今年才會完成制定，即使標準制定完成，今年也不會看到很多搭載DDR5內(nèi)存的電腦。而LPDDR5則是今年絕大部分旗艦機型的標配，相比DDR5，LPDDR5會在很多手機上面看到。

而在性能方面，LPDDR和DDR各有千秋，比如LPDDR5目前在數(shù)據(jù)傳輸速率上，理論性能的確領(lǐng)先DDR4一個身位，但這并不代表LPDDR5一定比DDR4更強。

電子產(chǎn)品的進步總結(jié)下來一定是體積更小，性能更強，功耗更低。當然內(nèi)存也不例外，無論是LPDDR內(nèi)存還是DDR內(nèi)存，或許有一天能通過極低的功耗，實現(xiàn)更高的性能。