Nand память что это

Обновлено: 06.07.2024

Наверняка вы часто слышали об SSD -накопителях, мифическом звере из системного блока, который ускоряет работу с данными в вашем устройстве до неприличных значений. Очень часто технические специалисты на вопрос пользователя о том, что он может сделать, чтобы “ускорить” работу персонального компьютера или ноутбука отвечают, что ему нужно установить/приобрести SSD -диск, внутри которого есть Flash -память, которая и сделает всю работу.

Flash -память бывает разных видов и типов, но сегодня предлагаю поговорить о самом популярном её представителе – NAND Flash памяти.

Так что же из себя представляет NAND Flash память?

Это энергонезависимый, экономически эффективный и высокоскоростной тип памяти. Мобильные телефоны, карты памяти, USB -флешки, SSD -диски, Huawei Palm SSD-накопители – все эти устройства работают на NAND Flash памяти.

Принцип работы NAND Flash памяти

Постараюсь объяснить принцип действия максимально лаконично, надеюсь, получится J

Память NAND Flash использует транзисторы с плавающим затвором для хранения информации без необходимости подключения к источнику питания.

Внутри ячейки памяти находятся элементы, взаимодействие которых создаёт поток электронов, которые в свою очередь, остаются на плавающем затворе, позволяя тем самым сохранить заряд. Таким образом, при отключении питания данные остаются в сохранности, так как необходимый накопленный заряд, который остался на плавающем затворе.

Типы NAND Flash памяти

Можно выделить четыре типа NAND Flash памяти:

SLC – single level cell – в одну ячейку можно записать один бит данных

MLC – multi level cell – в одну ячейку памяти можно записать два бита данных

TLC – triple level cell – в одну ячейку памяти можно записать 3 бита данных.

QLC – quadruple level cell – в одну ячейку памяти можно записать 4 бита данных

Если коротко описать характеристики каждого типа памяти, то можно с уверенностью сказать, что скорость работы с данными и надёжность самого накопителя понижаются с увеличением объёма данных, которые записаны в одну ячейку памяти. Связано это в первую очередь с тем, что для увеличения объёма данных, которые можно записать в одну ячейку памяти, производителям пришлось повысить количество уровней зарядов в транзисторе с плавающим затвором.

Также можно выделить ещё два типа NAND Flash памяти – 3 D NAND и 2 D NAND . Отличия между ними кроятся в архитектуре решения: 3 D NAND – технология “упаковки” ячеек памяти друг на друга. Другими словами, 2D NAND – горизонтальная архитектура, 3 D NAND – вертикальная.

Применительно к Enterprise решениям, чипы QLC не используются вовсе, так как их надёжность находится на минимальном уровне, что никак не соответствует высоким требованиям Enterprise -сегмента. Тем не менее, они пригодятся для использования в домашних системах. Чипы MCL и TLC получили более широкое распространение, чипы SLC в данный момент практически не используются.

Современные мобильные гаджеты, повышение быстродействия компьютерных систем и производство недорогих, но быстрых накопителей для хранения большого объема информации напрямую связано с микросхемами памяти.

Полевой транзистор с плавающим затвором — основа ячейки памяти

Основой всей технологии флеш-памяти, в том числе и NAND, является полевой транзистор с плавающим затвором. В общем случае его структура выглядит так:

Перед нами обычный полевой транзистор, у которого, помимо управляющего, появился еще один затвор. Так вот в этом затворе, называющемся «плавающий», как раз и кроется вся особенность технологии.

Разумеется, так смогут сделать не все электроны, а только их часть — те, которые получили большую энергию. При этом они не пробивают слой диэлектрика в физическом смысле, а в соответствии со своими квантово-волновыми свойствами «перепрыгивают» сразу в плавающий затвор. Вернуться обратно «перепрыгнувшие» электроны не могут, так как у них для этого не хватает энергии.

То есть, мы можем подать напряжение и тем самым «затащить» электроны в плавающий затвор. Они там останутся, когда мы включим транзистор в следующий раз — заряд, сосредоточенный на плавающем затворе окажет влияние на расположенный под ними канал между стоком и истоком: пропустит или не пропустит ток через транзистор независимо от напряжения на управляющем затворе. В самом простом случае мы получаем два состояния — ток есть или тока нет. Ноль и единицу. Что нам и требовалось.

Причем это состояние может сохраняться достаточно долго. Конечно, это время не бесконечно. Постепенно заряд на «плавающем» затворе потеряется. Но этого времени вполне достаточно для хранения информации в реальных условиях применения, так как речь идет о годах.

Разумеется, записанную информацию, то есть, заряд на плавающем затворе, можно стереть. Для этого достаточно подать на управляющий затвор напряжение обратной полярности, чтобы электроны смогли покинуть плавающий затвор и вернулись в проводящий канал транзистора. До этого времени заряд и логическое состояние транзистора сохраняется из-за того, что энергии электронов недостаточно для преодоления потенциального и физического барьера в виде тонкого слоя диэлектрика.

В процессе развития и миниатюризации технология изготовления полевых транзисторов с плавающим затвором менялась и совершенствовалась. Если первые элементы памяти создавали в планарном виде на поверхности кристалла, то сейчас используется технология 3D NAND или V-NAND (разные маркетинговые названия), в которой структура транзистора сформирована не на горизонтальной плоскости, а на вертикальной. Это позволяет экономить площадь и увеличивать объем памяти, который размещается в одной микросхеме. Принцип работы транзистора при этом остается прежним.

Кроме того, сейчас используют не только металлические плавающие затворы. Появились технологии изготовления кристаллов микросхем, повышающие их надежность и позволяющие удерживать заряд в течение большего времени. Например, компания Samsung использует для захвата зарядов и работы в качестве «плавающего затвора» изолированные области из непроводящего материала нитрида кремния SiN. Они называются 3D Charge Trap Flash — «ловушки заряда». Их применение увеличивает срок хранения заряда, а, следовательно, и информации в ячейке, а также делает микросхемы экономичнее в плане энергопотребления.

NAND и NOR ячейки памяти — как они работают

Транзисторы с плавающим затвором соединяются в матрицы, хранящие слова данных по нужным адресам, разными способами. Основными являются NAND и NOR. Эти аббревиатуры представляют собой сокращения словосочетаний «Not AND» и «Not OR» — соответственно «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».

Схематично способ построения матриц в двух случаях выглядит так:

Как видите из представленных схем, построение матрицы по схеме NOR удобно тем, что можно просто получить доступ к любой конкретной ячейке и записать информацию именно в нее. В случае с NAND несколько одиночных ячеек памяти соединены последовательно и для того, чтобы записать состояние «ноля» в одну из них, надо, чтобы все другие были открыты и пропускали ток.

Именно по этой причине стирание информации в микросхемы NAND-памяти производится поблочно, а для того, чтобы записать новые данные, обновляют информацию сразу для множества ячеек (осуществляют запись «постранично»). Но зато такая схемотехника позволила значительно упростить топологию и сократить размеры ячеек памяти на кристалле. Поэтому в современной микроэлектронике именно NAND-память является основной. И когда вы покупаете новый SSD-диск, то в нем стоят именно микросхемы с NAND-памятью.

Как в одной ячейке удается хранить до 4 бит данных

Небольшими размерами преимущества ячеек NAND-памяти не ограничивается. Еще один интересный и полезный момент заключается в том, что в них можно записать не один, а несколько (до четырех) битов информации. Теоретически можно и больше, но пока реально можно говорить только о четырех, так как дальше начинаются серьезные технические сложности. Тем не менее, на мероприятии Flash Memory Summit 2019 представители компании Toshiba уже представили идею записи по пять бит данных в каждую ячейку. Но пока до практического применения дело ещё не дошло.

Разберемся, как работает запись нескольких бит информации в одну ячейку. Транзистор с плавающим затвором представляет собой элемент, который может находиться не только в двух состояниях — закрытом и открытом, но и в промежуточных. Фактически это аналоговый элемент, способный пропускать по цепи сток-исток ток разной величины в зависимости от того, какой заряд имеется на затворах и какое поле им создается.

Это значит, что можно «загнать» в плавающий затвор (в 3D NAND — в «ловушку зарядов») столько электронов, сколько понадобится, чтобы пропускать определенный ток через транзистор при определенном значении порогового напряжения. Таких пороговых напряжений может быть несколько, так как есть возможность накопить заряд больше или меньше — столько, сколько потребуется, чтобы в ячейке записалась нужная информация. Далее, подавая на транзистор напряжение и контролируя ток, можно судить о его состоянии, то есть о том, какие данные он хранит.

Отсюда и возникают ячейки памяти, в которых хранится не один бит информации, а больше, вплоть до четырех. Поэтому вся память делится на две категории: SLC (сокращение от Single Level Cell — одноуровневые ячейки) и MLC (Multi Level Cell — многоуровневые ячейки).

С SLC-ячейками все просто. Это классические элементы памяти, которые хранят один бит с двумя состояниями, одно из которых соответствует заряженному затвору, а второе — разряженному.

MLC-ячейки в свою очередь подразделяются на:

MLC-ячейки. Это элементы памяти, в которых может храниться два бита информации. Соответственно, для этого надо точно фиксировать четыре режима работы транзистора, чтобы понять, какая из четырех комбинаций данных хранится — 00, 01, 10, 11.
TLC-ячейки. TLC — сокращение от Triple Level Cell, трехуровневая ячейка. В них может храниться три бита данных, а, следовательно, потребуется точно фиксировать уже восемь режимов работы транзистора.
QLC-ячейки. QLC — сокращение от Quad Level Cell, четырехуровневая ячейка. В ней помещается уже четыре бита данных. Но при этом надо фиксировать уже 16 режимов работы транзистора.

Такое увеличение плотности записи с одной стороны повышает объемы накопителей. Но с другой снижается надежность, так как требуется высокая точность записи состояния и последующего чтения данных. Увеличивается и время, которое тратится на чтение и запись данных, так как надо понять, в каком из 4, 8 или 16 режимов находится транзистор.

Дальнейшие перспективы технологии

Чтобы еще больше увеличить плотность хранения данных в одной ячейке и перейти на хранение пяти бит информации, потребуется контролировать уже 32 режима работы транзистора. Учитывая, что питание микросхем составляет единицы вольт, речь идет о том, чтобы соблюдать точность измерения и установки пороговых напряжений в сотые доли вольта. И это только одна из сложностей, которые надо решить.

Кроме того, надо решать такие задачи, как коррекция ошибок, надежность и количество циклов записи/чтения. Последняя проблема — одна из наиболее критичных, так как запись и чтение данных приводит к износу и уменьшению слоя диэлектрика между плавающим затвором и полупроводниковым каналом транзистора, а, следовательно, к выходу из строя ячейки. Именно этот момент является определяющим для времени безотказной работы памяти. Но, вполне возможно, что инженеры скоро найдут решение, позволяющее сделать следующий шаг в увеличении плотности записи. Тогда появятся еще более объемные твердотельные накопители по низкой цене.

NAND — это энергонезависимая флеш-память, которая может хранить данные, даже если она не подключена к источнику питания. Возможность сохранять данные при выключении питания делает NAND отличным вариантом для внутренних, внешних и портативных устройств. USB-накопители, твердотельные накопители и SD-карты используют флеш-технологию, обеспечивая память для таких устройств, как мобильные телефоны и цифровые видеокамеры.

На рынке представлены несколько типов памяти NAND. Попросту говоря, каждый из типов отличается количеством битов, которое может храниться в каждой ячейке. Биты представляют собой электрический заряд, который может содержать только одно из двух значений — 0 или 1 (вкл./выкл.).

Ключевые различия между типами памяти NAND заключаются в стоимости, емкости и сроке службы. Ресурс определяется количеством циклов программирования-стирания (P/E), которые может выдержать ячейка флеш-памяти до износа. Цикл P/E — это процесс стирания и записи ячейки, и чем больше циклов P/E может выдержать технология NAND, тем выше ресурс устройства.

Стандартные типы флеш-памяти NAND — SLC, MLC, TLC и 3D NAND. В этой статье рассматриваются различные характеристики каждого типа памяти NAND.

SLC NAND

Преимущества: Высочайший ресурс — Недостатки: Высокая стоимость и низкая емкость

NAND-память в одноуровневыми ячейками (SLC) хранит только 1 бит информации на ячейку. В ячейке хранится либо 0, либо 1, и в результате запись и извлечение данных может выполняться быстрее. SLC обеспечивает самую высокую производительность и ресурс: 100 000 циклов P/E То есть такая память служит дольше других типов NAND-памяти. Однако из-за низкой плотности размещения данных SLC является самым дорогим типом NAND-памяти и поэтому обычно не используется в потребительской продукции. Ее типичные области применения — серверы и другое промышленное оборудование, требующее высокой скорости и долговечности.

MLC NAND

Преимущества: Дешевле памяти SLC — Недостатки: Быстродействие и ресурс ниже по сравнению с SLC

Технология NAND-памяти с многоуровневыми ячейками (MLC) хранит несколько битов на ячейку, хотя термин MLC обычно относится к 2 битам на ячейку. MLC имеет более высокую плотность размещения данных по сравнению с SLC, поэтому позволяет создавать носители большей емкости. Память MLC отличается хорошим сочетанием цены, производительности и долговечности. Однако память MLC, обеспечивающая 10 000 циклов P/E более чувствительна к ошибкам данных и имеет меньший ресурс по сравнению с SLC. Память MLC обычно используется в потребительской продукции, где долговечность не столь важна.

TLC NAND

Преимущества: Наименьшая цена и высокая емкость — Недостатки: Низкая долговечность

NAND-память с трехуровневыми ячейками (TLC) хранит 3 бита на ячейку. За счет увеличения числа битов на ячейку снижается цена и увеличивается емкость. Однако это отрицательно сказывается на производительности и ресурсе (всего 3000 циклов P/E). Во многих потребительских изделиях используется память TLC как самый дешевый вариант..

3D NAND

В последние десять лет одной из крупнейших инноваций на рынке флеш-памяти стала память 3D NAND. Производители флеш-памяти разработали технологию 3D NAND, чтобы устранить проблемы, с которыми они столкнулись при уменьшении размера 2D NAND в попытке достичь более высокой плотности при меньших затратах. В памяти 2D NAND ячейки, в которых хранятся данные, размещаются горизонтально, рядом друг с другом. Это означает, что объем пространства, в котором могут быть размещены ячейки, ограничен, и попытка уменьшить размер ячеек снижает их надежность.

Поэтому производители NAND-памяти решили расположить ячейки в пространстве иначе, что привело к созданию памяти 3D NAND с вертикальным расположением ячеек. Более высокая плотность памяти позволяет увеличить емкость без значительного увеличения цены. Память 3D NAND также обеспечивает более высокую долговечность и меньшее энергопотребление.

В целом, NAND — чрезвычайно важная технология памяти, поскольку обеспечивает быстрое стирание и запись данных при более низкой стоимости на бит. С ростом игровой индустрии развитие технологии NAND продолжится, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности потребителей в хранении данных.

Привет, Гиктаймс! Известен факт, что производительность твердотельного накопителя зависит не только от контроллера, но и от типа памяти, которая используется в SSD. Дешевая медленная память убьет все преимущества быстрого контроллера, потому что вся нагрузка ложится именно на него, равно как и медленный контроллер не раскроет потенциал быстрой памяти. Рынку важнее большой объем за скромные деньги, нежели чистое искусство высокой скорости, а с учетом того, что эти две вещи несовместимы… Ключевая роль в этом уравнении отведена буквам – SLC, MLC и TLC. Именно о типах памяти и хочу повести речь в этом посте.

Для затравки представлю всех «участников забега» на очень длинную дистанцию:

Память SLC – Single-Level Cell – давно ушедший с рынка, самый быстрый, самый выносливый и самый дорогой тип памяти. Когда-то давно, в 2004 году доля рынка SLC чипов была более 80%, однако к 2011 они пропали из производства и на текущий момент можно считать их вымершими. Кроме скорости архитектура SLC также славится надежностью, поскольку контроллеру намного легче вылавливать ошибки.

Ресурс перезаписи — примерно 90-100 тысяч циклов на одну ячейку
минимальное энергопотребление
самая высокая скорость записи
самая дорогая память (примерно в три раза дороже чем MLC)

Память MLC – Multi-Level Cell – она же 2-bit MLC – самый популярный на текущий тип памяти – на него приходится около 65 процентов рынка, но доля его неуклонно снижается. Именно такую память в основном использует компания Kingston. Скорость работы таких чипов ниже, чем SLC, но ее достаточно для раскрытия потенциала интерфейса SATA III (как в случае с HyperX Savage, например), а лучшие из образцов прекрасно подходят для работы в PCI-E накопителях, например, HyperX Predator.

Ресурс перезаписи — примерно 10 тысяч циклов на одну ячейку
высокая плотность записи — 2 бит на ячейку
умеренная стоимость

Память TLC – Triple-Level Cell, он же 3-bit MLC – самый недорогой из трех типов памяти, появился на рынке в 2008 году и с тех пор пожирает рынок и по прогнозам может занять 90 процентов рынка уже в 2017 году. Что принесет разработка этого стандарта? В начале — небольшое падение скоростей для твердотельных накопителей большой емкости. А затем, после оптимизации и улучшения процесса производства — появление сверхъёмких и достаточно быстрых SSD по 4 терабайта и более по вполне вменяемым (в долларах США) ценам. Kingston закладывает такой переход в дальнейшую стратегию развития и вскоре мы увидим первые серийные твердотельные диски на новом типе памяти.

Ресурс перезаписи — примерно 3-5тысяч циклов на одну ячейку
высокая плотность записи — 3 бит на ячейку
самая низкая стоимость (примерно на 30% дешевле MLC)
самая низкая скорость чтения и записи

Следует сделать отступление на тему ресурса — указанные данные — это теоретический максимум для каждого типа памяти, реальные же цифры обусловлены также техпроцессом производства, качеством пластины, а соответственно и ценой за чип (чем дешевле чипы, тем короче срок службы) и способом оптимизации работы твердотельного накопителя в каждом отдельно взятом контроллере (качественный контроллер с качественной прошивкой всегда дороже).

Кто потребляет NAND память?

А вот тут очень интересная история – на долю USB Flash Drive – выпадает около 5% от общего потребления чипов, на долю карт памяти – около 10%, примерно 20% на долю компьютерного рынка (SSD). А где еще 65% спросите вы? Планшеты – забирают себе 20 процентов, еще 5 процентов у МР3-плееров и других подобных устройств, а 40% съедают – смартфоны. Кстати, еще один любопытный факт – компания Apple потребляет 16% от общего количества выпускаемой флеш-памяти. Здесь важно понимать, что направление развития рынка диктует, в первую очередь, мобильное направление, а уж десктопы покорно следуют за толпой демонстрантов с радостными лозунгами.

Скорость обмена данными между центральным и графическим ядрами и системой хранения растет достаточно быстро для того, чтобы в обозримом, но не ближайшем, будущем отказаться от оперативной памяти как таковой. Прямой доступ к кэшу накопителей будет прекрасным решением знаменитого «бутылочного горлышка».

Читайте также: