SSD的性能不单取决于主控，闪存颗粒也会影响SSD的实际性能，并且闪存的质量也会影响SSD的速度、性能和使用寿命。所以用户购买SSD时，为避免踩坑，有必要深入了解下SSD闪存颗粒即NAND Flash的相关知识。
一、Nand Flash基本概念
NAND Flash全名为Flash Memory，属于非易失性存储设备(Non-volatile Memory Device)，基于浮栅(Floating Gate)晶体管设计，通过浮栅来锁存电荷，由于浮栅是电隔离的，所以即使在去除电压之后，到达栅极的电子也会被捕获。这就是闪存非易失性的原理所在。数据存储在这类设备中，即使断电也不会丢失。
与具有固定阈值电压的常规 MOSFET 不同，FGMOS 的阈值电压取决于存储在浮栅中的电荷量，电荷越多，阈值电压越高。与常规 MOSFET 类似，当施加到控制栅极的电压高于阈值电压时，FGMOS 开始导通。因此，通过测量其阈值电压并将其与固定电压电平进行比较来识别存储在 FGMOS 中的信息，被称为闪存中的读操作。
SSD用户的数据全部存储于NAND闪存里，它是SSD的存储媒介，也是成本最高的部分。NAND Flash是目前闪存中最主要的产品，具备非易失、高密度、低成本的优势。被广泛用于 eMMC/eMCP，U盘，SSD等市场。
NAND Flash闪存的主要分类以NAND闪存颗粒的技术为主，NAND闪存颗粒根据存储原理分为SLC、MLC、TLC和QLC四类，分别是：
SLC（英文全称(Single-Level Cell——SLC)即单层式储存
SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄，在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压，然后透过源极，即可将所储存的电荷消除，通过这样的方式，便可储存1个信息单元，即1bit/cell，速度快寿命最长，价格贵（约MLC 3倍以上的价格），约10万次擦写寿命。
MLC（英文全称Multi-Level Cell——MLC)即多层式储存
英特尔（Intel）在1997年9月最先开发成功MLC，其作用是将两个单位的信息存入一个Floating Gate（闪存存储单元中存放电荷的部分），然后利用不同电位（Level）的电荷，通过内存储存的电压控制精准读写。
即2bit/cell，速度一般寿命一般，价格一般，约3000—1万次擦写寿命。MLC通过使用大量的电压等级，每个单元储存两位数据，数据密度比较大，可以一次储存4个以上的值，因此，MLC架构可以有比较好的储存密度。
TLC（英文全称Trinary-Level Cell）即三层式储存
TLC即3bit per cell，每个单元可以存放比MLC多1/2的数据，共八个充电值，即3bit/cell，也有Flash厂家叫8LC，所需访问时间更长，因此传输速度更慢。
TLC优势价格便宜，每百万字节生产成本是最低的，价格便宜，但是寿命短，只有约1000次擦写寿命。
QLC（英文全称Quadruple-Level Cell）四层存储单元
全称是Quad-Level Cell，四层式存储单元，即4bits/cell。QLC闪存颗粒拥有比TLC更高的存储密度，同时成本上相比TLC更低，优势就是可以将容量做的更大，成本压缩得更低，劣势就是寿命更短，理论擦写次数仅150次。
（NAND Flash 四种类型 仅供参考）
PS：每Cell单元存储数据越多，单位面积容量就越高，但同时导致不同电压状态越多，越难控制，所以导致颗粒稳定性越差，寿命低，各有利弊。
（NAND Flash 读写寿命 仅供参考）
不难看出，四种类型的NAND闪存颗粒性能各有不同。SLC单位容量的成本相对于其他类型NAND闪存颗粒成本更高，但其数据保留时间更长、读取速度更快；QLC拥有更大的容量和更低的成本，但由于其可靠性低、寿命短等缺点，仍有待后续发展。
从生产成本、读写速度和使用寿命三方面来看，四类的排序都是：
SLC>MLC>TLC>QLC；
以120G硬盘为例，我们计算一下使用寿命，假如每天写入10G数据，各个颗粒按照最低擦写次数计算，数据如下：
SLC理论寿命=120*100000/10=1200000天=3287.67年
MLC理论寿命=120*3000/10=36000天=986年
TLC理论寿命=120*500/10=6000天=1644年
QLC理论寿命=120*150/10=1800天=493年
从数据上来看QLC的寿命最短，但实际情况是QLC单位存储密度大，存储容量也大，按照500G计算理论寿命为20.55年，1T计算则为41年以上，电脑退休了，硬盘都不会坏，买硬盘之前考虑好用途，选择合适的类型。
目前主流的解决方案为MLC与TLC。SLC主要针对军工，企业级应用，有着高速写入，低出错率，长耐久度特性。MLC主要针对消费级应用，容量高于SLC2倍，低成本，适合USB闪盘，手机，数码相机等储存卡，如今也被大量用于消费级固态硬盘上。
而NAND闪存根据对应不同的空间结构来看，这四类技术可又分为2D结构和3D结构两大类，浮栅晶体管是主要用于2D FLASH，3D flash主要采用的是CT晶体管，浮栅是半导体，CT是绝缘体，二者在本质和原理上就有区别。其区别在于：
2D结构NAND Flash
2D结构的存储单元仅布置在芯片的XY平面中，因而使用2D闪存技术在同一晶圆中实现更高密度的唯一方法就是缩小制程工艺节点。
其缺点是，对于较小的节点，NAND闪存中的错误更为频繁；另外，可以使用的最小制程工艺节点存在限制，存储密度不高。
3D结构NAND Flash
为了提高存储密度，制造商开发了3D NAND或V-NAND（垂直NAND）技术，该技术将Z平面中的存储单元堆叠在同一晶圆上。
在3D NAND闪存中，存储器单元作为垂直串连接而不是2D NAND中的水平串，以这种方式构建有助于为相同的芯片区域实现高位密度。第一批3D Flash产品有24层。
（2D NAND vs 3D NAND ）
2020年11月12日，美光宣布已批量出货全球首款176层3D NAND闪存，一举刷新行业纪录，实现闪存产品密度和性能上的重大提升。美光全新的 176 层工艺与先进架构共同促成了此项重大突破，使数据中心、智能边缘平台和移动设备等一系列存储应用得以受益，实现性能上的巨大提升。
另一方面，经过五十多年的发展，闪存的容量增势迅猛，从GB上升到TB，3D NAND闪存颗粒技术的实践使闪存容量进一步提升，未来有望进一步提升。
（闪存颗粒容量变化 仅供参考）
二、Nand Flash的加工过程
NAND Flash是从原始的硅材料加工出来的，硅材料被加工成晶圆(Wafer)，一般分为6英寸、8英寸、12英寸规格不等，晶片就是基于这个wafer上生产出来的，一片晶圆可以切割出多少晶片是根据die的大小和wafer的大小以及良率来决定的，通常情况下，一片晶圆上可以做出几百颗NAND FLASH芯片。
芯片未封装前的晶粒成为Die，它是从Wafer上用激光切割而成的小片，每个Die就是一个独立的功能芯片，它由无数个晶体管电路组成，但最终可被作为一个单位封装起来成为闪存颗粒芯片。
(晶片在光刻了电路后，称之为wafer 仅一片载有NAND Flash晶圆的wafer，wafer首先经过切割，然后测试，测试通过后，再进行切割、封装，封装完成后会再次进行一道检测。将完好的、稳定的、足容量的die取下，封装形成日常所见的Nand 。
在wafer上剩余的，要么就是不稳定、要么就是部分损坏所以不足容量，或者是完全损坏。原厂考虑到质量保证，会将这种die宣布死亡，严格定义为废品全部报废处理。
合格的Flash Die原厂封装工厂会根据需要封装成eMMC、TSOP、BGA、LGA等产品，但封装的时候也有不良，或者性能不达标，这些Flash颗粒会再次被过滤掉，通过严格的测试确保产品的品质。
(Wafer在切割前需要进行Wafer test 仅闪存颗粒制造厂商主要就是以三星、美光、SK 海力士、闪迪、铠侠等为代表的几大厂商，例如三星拥有完整的闪存颗粒生产线，并且所有颗粒仅装备于自家产品，小白用户不想费时间的话，只需在正规渠道，在选择的时候要认准原厂logo和原厂OEM客户品牌，购买大品牌即可。
NAND Flash六大原厂：三星(Samsung)、SK海力士（Hynix）、美光（Micron）、铠侠（原Toshiba）、Intel、闪迪（Sandisk）
三星电子(Samsung)
从制程及产能分析，三星64层NAND Flash自第三季开始量产以来，已经开始应用在移动终端需求及SSD上，并将逐渐扩大应用产品，已开始大规模生产第五代V-NAND，堆叠层数96层，支持Toggle DDR 4.0接口，传输速度最高可达1.4Gbps，相比64层V-NAND提升40%。其制造工艺上也做了优化，制造生产效率提升30%，后续基于该技术三星还将推出容量高达1Tb容量的V-NAND，新的QLC SSD搭载了32颗芯片，最高容量高达4TB。
SK海力士（Hynix）
1颗SK海力士96层512Gb 3D NAND Flash可取代2颗256Gb 3D NAND Flash，写入、读取性能也比72层3D NAND Flash提高30%与25%。由于体积缩小的特点，可用在智能型手机的芯片封装。结合用在3D NAND Flash的CTF记忆单元结构与PUC技术是业界创举。
美光(Micron)
美光推出专注于服务器的QuantX。从生产出的QLC 新产品5210 ION SSD，到即将推出的大容量、高性能的96层3D NAND技术，美光一直在为市场提供解决方案，并在中国上海、西安等地都设有测试工厂致力于提供给市场更好的SSD解决方案。
铠侠(Kioxia)
铠侠BG4容量有128 GB，256 GB，512 GB，1TB，铠侠是第一家推出采用96层NAND的SSD厂商，BG4将成为第二款开始出货的96层SSD。铠侠的BG系列是面向OEM市场的入门级NVMe SSD产品，在消费者中有着不小的关注度。
英特尔(Intel)
在新一代3D NAND方面，英特尔主要生产96层的3D NAND闪存产品。英特尔傲腾技术将提供卓越性能，具体表现在低延迟、高服务质量、高耐用性、高吞吐率，适用于延迟要求苛刻的关键应用。
闪迪（Sandisk）
作为全球领先的闪存存储解决方案提供商。SanDisk闪迪领先的闪存技术和解决方案应用于全球许多大型数据中心内，并嵌入在智能手机、平板电脑与笔记本电脑中，能够为智能手机、平板电脑和PC笔记本电脑设备提供卓越的数据性能。
（厂商产能部分数据 仅供参考）
在国外NAND Flash主导市场的现状下，中国NAND Flash厂商长江存储（YMTC）异军突起在市场中占据一席之地，其推出的128层3D NAND在2020年第1季将128层3D NAND样品送交存储控制器厂商，目标第3季进入投片、量产，拟用于UFS、SSD等各类终端产品，并同时出货给模块厂，包含TLC以及QLC产品，以扩大客户基础。
三、NAND Flash的应用及发展趋势
NAND Flash作为一种比较实用的固态硬盘存储介质，有自己的一些物理特性。NAND Flash的寿命不等于SSD的寿命，SSD盘可以通过多种技术手段从整体上提升SSD的寿命，通过不同的技术手段，SSD盘的寿命可以比NAND Flash寿命提升20%~2000%不等。
反过来讲SSD的寿命不等于NAND Flash的寿命，NAND Flash的寿命主要通过P/E cycle来表征，SSD由多个Flash颗粒组成，通过盘片算法，可有效发挥颗粒寿命。
影响SSD盘使用寿命关键因素主要包括下面因素：
l 每年写入数据量，和客户的业务场景强相关；
l 单个Flash颗粒寿命， 不同颗粒的P/E Cycle不同；
l 数据纠错算法，更强纠错能力延长颗粒可用寿命；
l 磨损均衡算法，避免擦写不均衡导致擦写次数超过颗粒寿命；
l Over Provisioning占比，随着OP(预留空间)的增加SSD磁盘的寿命会得到提高。
基于NAND Flash的原理和制造工艺，所有主要的闪存制造商都积极致力于开发不同的方法，以降低每比特闪存的成本，同时正在积极研究增加3D NAND Flash中垂直层的数量。
（NAND Flash 架构部分 仅供参考）
（NAND Flash 架构部分 仅供参考）
例如美光的 176 层 NAND 采用紧凑型设计，裸片尺寸比市场最接近同类产品缩小近 30%，是市场上最先进的 NAND技术节点。与上一代大容量 3D NAND 产品相比，176 层 NAND 将数据读取和写入延迟缩短了35%以上，极大地提高了应用的性能，是满足小尺寸应用需求的理想解决方案。
随着3D NAND技术的快速发展，QLC技术不断成熟，QLC产品也已开始陆续出现，可以预见QLC将会取代TLC，犹如TLC取代MLC一样。而且，随着3D NAND单die容量不断翻倍增长，这也将推动消费类SSD向4TB迈进，企业级SSD向8TB升级，QLC SSD将完成TLC SSD未完成的任务，逐渐取代HDD，这些都逐步的影响着NAND Flash市场。
研究统计范围包括8 Gbit、4Gbit、2Gbit以及其他小于16Gbit的SLC NAND闪存，产品应用于消费电子产品、物联网、汽车、工业、通信和其他相关行业。
国际原厂引领3D NAND 技术发展，在 NAND Flash 市场中，三星、铠侠（东芝）存储、美光、SK 海力士、闪迪、英特尔这六家原厂长期垄断着全球 99％以上的份额。
此外，国际原厂持续引领着3D NAND技术研发，形成了较为厚实的技术壁垒。但各原厂在设计方案上 的差别将会对其产出产生形成一定影响。三星、SK海力士、铠侠、闪迪已经相继发布最新100+层3D NAND产品。
当前阶段，NAND Flash 市场的发展主要受到智能手机和平板电脑需求的驱动。相对于机械硬盘等传统存储介质，采用NAND Flash 芯片的SD 卡、固态硬盘等存储装置没有机械结构，无噪音、寿命长、功耗低、可靠性高、体积小、读写速度快、工作温度范围广，是未来大容量存储的发展方向。随着大数据时代的到来，NAND Flash 芯片将在未来得到巨大发展。
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