NANDFlash、DDR、LPDDR的作用

一、NAND Flash

NAND Flash全名為Flash Memory，屬于非易失性存儲(chǔ)設(shè)備(Non-volatile Memory Device)，基于浮柵(Floating Gate)晶體管設(shè)計(jì)，通過(guò)浮柵來(lái)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(dá)柵極的電子也會(huì)被捕獲。這就是閃存非易失性的原理所在。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在這類設(shè)備中，即使斷電也不會(huì)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(guò)渡，正在向QLC邁進(jìn)。NAND Flash憑借容量大、寫(xiě)入速度快等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于eMMC/eMCP，U盤(pán)，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(chǔ)存

SLC技術(shù)特點(diǎn)是在浮置閘極與源極之中的氧化薄膜更薄，在寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)對(duì)浮置閘極的電荷加電壓，然后透過(guò)源極，即可將所儲(chǔ)存的電荷消除，通過(guò)這樣的方式，便可儲(chǔ)存1個(gè)信息單元，即1bit/cell，速度快壽命最長(zhǎng)，價(jià)格貴（約MLC 3倍以上的價(jià)格），約10萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命。

MLC（英文全稱Multi-Level Cell——MLC)即多層式儲(chǔ)存

英特爾（Intel）在1997年9月最先開(kāi)發(fā)成功MLC，其作用是將兩個(gè)單位的信息存入一個(gè)Floating Gate（閃存存儲(chǔ)單元中存放電荷的部分），然后利用不同電位（Level）的電荷，通過(guò)內(nèi)存儲(chǔ)存的電壓控制精準(zhǔn)讀寫(xiě)。

即2bit/cell，速度一般壽命一般，價(jià)格一般，約3000---1萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命。MLC通過(guò)使用大量的電壓等級(jí)，每個(gè)單元儲(chǔ)存兩位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)密度比較大，可以一次儲(chǔ)存4個(gè)以上的值，因此，MLC架構(gòu)可以有比較好的儲(chǔ)存密度。

TLC（英文全稱Trinary-Level Cell）即三層式儲(chǔ)存

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

TLC優(yōu)勢(shì)價(jià)格便宜，每百萬(wàn)字節(jié)生產(chǎn)成本是最低的，價(jià)格便宜，但是壽命短，只有約1000次擦寫(xiě)壽命。

QLC（英文全稱Quadruple-Level Cell）四層存儲(chǔ)單元

全稱是Quad-Level Cell，四層式存儲(chǔ)單元，即4bits/cell。QLC閃存顆粒擁有比TLC更高的存儲(chǔ)密度，同時(shí)成本上相比TLC更低，優(yōu)勢(shì)就是可以將容量做的更大，成本壓縮得更低，劣勢(shì)就是壽命更短，理論擦寫(xiě)次數(shù)僅150次。

    PS：每Cell單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)越多，單位面積容量就越高，但同時(shí)導(dǎo)致不同電壓狀態(tài)越多，越難控制，所以導(dǎo)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(duì)于其他類型NAND閃存顆粒成本更高，但其數(shù)據(jù)保留時(shí)間更長(zhǎng)、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(diǎn)，仍有待后續(xù)發(fā)展。

從生產(chǎn)成本、讀寫(xiě)速度和使用壽命三方面來(lái)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(duì)軍工，企業(yè)級(jí)應(yīng)用，有著高速寫(xiě)入，低出錯(cuò)率，長(zhǎng)耐久度特性。MLC主要針對(duì)消費(fèi)級(jí)應(yīng)用，容量高于SLC 2倍，低成本，適合USB閃盤(pán)，手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)等儲(chǔ)存卡，如今也被大量用于消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤(pán)上。

而NAND閃存根據(jù)對(duì)應(yīng)不同的空間結(jié)構(gòu)來(lái)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(dǎo)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)更高密度的唯一方法就是縮小制程工藝節(jié)點(diǎn)。

其缺點(diǎn)是，對(duì)于較小的節(jié)點(diǎn)，NAND閃存中的錯(cuò)誤更為頻繁；另外，可以使用的最小制程工藝節(jié)點(diǎn)存在限制，存儲(chǔ)密度不高。

3D結(jié)構(gòu)NAND Flash

為了提高存儲(chǔ)密度，制造商開(kāi)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(chǔ)單元堆疊在同一晶圓上。

    在3D NAND閃存中，存儲(chǔ)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(guò)程

NAND Flash是從原始的硅材料加工出來(lái)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(gè)wafer上生產(chǎn)出來(lái)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(lái)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(gè)Die就是一個(gè)獨(dú)立的功能芯片，它由無(wú)數(shù)個(gè)晶體管電路組成，但最終可被作為一個(gè)單位封裝起來(lái)成為閃存顆粒芯片。

一片載有NAND Flash晶圓的wafer，wafer首先經(jīng)過(guò)切割，然后測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后，再進(jìn)行切割、封裝，封裝完成后會(huì)再次進(jìn)行一道檢測(cè)。將完好的、穩(wěn)定的、足容量的die取下，封裝形成日常所見(jiàn)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(huì)將這種die宣布死亡，嚴(yán)格定義為廢品全部報(bào)廢處理。

合格的Flash Die原廠封裝工廠會(huì)根據(jù)需要封裝成eMMC、TSOP、BGA、LGA等產(chǎn)品，但封裝的時(shí)候也有不良，或者性能不達(dá)標(biāo)，這些Flash顆粒會(huì)再次被過(guò)濾掉，通過(guò)嚴(yán)格的測(cè)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(guó)外NAND Flash主導(dǎo)市場(chǎng)的現(xiàn)狀下，中國(guó)NAND Flash廠商長(zhǎng)江存儲(chǔ)（YMTC）異軍突起在市場(chǎng)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(chǔ)控制器廠商，目標(biāo)第3季進(jìn)入投片、量產(chǎn)，擬用于UFS、SSD等各類終端產(chǎn)品，并同時(shí)出貨給模塊廠，包含TLC以及QLC產(chǎn)品，以擴(kuò)大客戶基礎(chǔ)。

NAND Flash的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

NAND Flash作為一種比較實(shí)用的固態(tài)硬盤(pán)存儲(chǔ)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(pán)可以通過(guò)多種技術(shù)手段從整體上提升SSD的壽命，通過(guò)不同的技術(shù)手段，SSD盤(pán)的壽命可以比NAND Flash壽命提升20%~2000%不等。

反過(guò)來(lái)講SSD的壽命不等于NAND Flash的壽命，NAND Flash的壽命主要通過(guò)P/E cycle來(lái)表征，SSD由多個(gè)Flash顆粒組成，通過(guò)盤(pán)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(kāi)發(fā)不同的方法，以降低每比特閃存的成本，同時(shí)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(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)，可以預(yù)見(jiàn)QLC將會(huì)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(zhǎng)，這也將推動(dòng)消費(fèi)類SSD向4TB邁進(jìn)，企業(yè)級(jí)SSD向8TB升級(jí)，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(chǎng)。

研究統(tǒng)計(jì)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(fèi)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(guó)際原廠引領(lǐng)3D NAND 技術(shù)發(fā)展，在 NAND Flash 市場(chǎng)中，三星、鎧俠（東芝）存儲(chǔ)、美光、SK 海力士、閃迪、英特爾這六家原廠長(zhǎng)期壟斷著全球 99％以上的份額。

此外，國(guó)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(shí)的技術(shù)壁壘。但各原廠在設(shè)計(jì)方案上 的差別將會(huì)對(duì)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(dāng)前階段，NAND Flash 市場(chǎng)的發(fā)展主要受到智能手機(jī)和平板電腦需求的驅(qū)動(dòng)。相對(duì)于機(jī)械硬盤(pán)等傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)，采用NAND Flash 芯片的SD 卡、固態(tài)硬盤(pán)等存儲(chǔ)裝置沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，無(wú)噪音、壽命長(zhǎng)、功耗低、可靠性高、體積小、讀寫(xiě)速度快、工作溫度范圍廣，是未來(lái)大容量存儲(chǔ)的發(fā)展方向。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，NAND Flash 芯片將在未來(lái)得到巨大發(fā)展。

二、DDR、LPDDR

     DDR全稱Double Data Rate雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，嚴(yán)格的來(lái)講，DDR應(yīng)該叫DDR SDRAM。雖然美國(guó)固態(tài)技術(shù)協(xié)會(huì)2018年宣布正式發(fā)布DDR5標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際上最終的規(guī)范要到2020年才能完成，其目標(biāo)是將內(nèi)存帶寬在DDR4基礎(chǔ)上翻倍，速率3200MT/s起，最高可達(dá)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(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)LPDDR5被稱為5G時(shí)代的標(biāo)配，但目前市場(chǎng)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(jī)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(lè)的增加，平板電腦、智能盒子的需求也逐步攀升，這對(duì)DDR3、DDR4的存儲(chǔ)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(gè)小的體積，該類型芯片主要應(yīng)用于移動(dòng)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，LPDDR就是在DDR的基礎(chǔ)上面演化而來(lái)的，LPDDR2實(shí)在DDR2的基礎(chǔ)上演化而來(lái)的，LPDDR3則實(shí)在DDR3的基礎(chǔ)上面演化而來(lái)的，以此類推。但是從第四代開(kāi)始，兩者之間有了差別或者說(shuō)走上了不同的發(fā)展，主要因?yàn)镈DR內(nèi)存主要是通過(guò)提高核心頻率從而提升性能，而LPDDR則是通過(guò)提高Prefetch預(yù)讀取位數(shù)而提高使用體驗(yàn)。同時(shí)在商用方面，LPDDR4首次先于DDR4登陸消費(fèi)者市場(chǎng)。

以目前使用量最高的DDR4和LPDDR4來(lái)舉例，LPDDR4是通過(guò)兩個(gè)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(yù)讀取位位16位，而DDR4為8位，所以在實(shí)際運(yùn)算的過(guò)程中，DDR4的性能利用率會(huì)更高，但LPDDR卻可以用耕地的功耗來(lái)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(jìn)，性能跟高這一說(shuō)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(jí)的DDR內(nèi)存在技術(shù)升級(jí)方面要慢于移動(dòng)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(shí)還擔(dān)負(fù)著顯存這一身份的重任，技術(shù)的迭代對(duì)于手機(jī)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?yàn)楹褪謾C(jī)相比，電腦對(duì)功耗的要求沒(méi)有那么高，也沒(méi)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(biāo)準(zhǔn)今年才會(huì)完成制定，即使標(biāo)準(zhǔn)制定完成，今年也不會(huì)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(jī)型的標(biāo)配，相比DDR5，LPDDR5會(huì)在很多手機(jī)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(gè)身位，但這并不代表LPDDR5一定比DDR4更強(qiáng)。

電子產(chǎn)品的進(jìn)步總結(jié)下來(lái)一定是體積更小，性能更強(qiáng)，功耗更低。當(dāng)然內(nèi)存也不例外，無(wú)論是LPDDR內(nèi)存還是DDR內(nèi)存，或許有一天能通過(guò)極低的功耗，實(shí)現(xiàn)更高的性能。