NAND 闪存基础 —— SLC / MLC / TLC / QLC 与 3D NAND

上一篇讲完 HDD，本篇进入 SSD 世界。SSD 的核心是 NAND 闪存——理解 NAND 的物理特性，才能理解为什么 SSD 有写放大、有寿命限制、有 GC 抖动这些”非旋转介质”的特殊问题。

NAND 的存储原理：浮栅 / 电荷陷阱

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NAND 单元（floating gate type）：

      控制栅 (CG)
         │
       ──┼──  介电层
       ──┼──  浮栅 FG（电荷"困"在这里）
       ──┼──  隧穿氧化层
   ──────┴──────  沟道
   N+              N+
       源           漏

关键原理：

  • 浮栅被绝缘层包围，电荷被”困”在里面，断电也不丢
  • 写入：高电压让电子穿过隧穿层进入浮栅
  • 擦除：反向高电压把电子拉出来
  • 读取：测沟道电流大小判断浮栅里有多少电荷

电荷陷阱（Charge Trap）NAND 用绝缘层代替浮栅，原理类似——3D NAND 主流是这个变种。

NAND 的”反人类”特性

NAND 和 DRAM/HDD 完全不同：

graph TB
  R[读：单 page
~50 μs] --> R1[页面 = 4-16 KB]
  W[写：单 page
~500 μs] --> W1[必须先擦除]
  E[擦除：整个 block
~5 ms] --> E1[block = 几百个 page
多 MB]
  E --> E2[擦写次数有限
SLC 10万 / TLC 3千]

关键事实：

  1. 读 < 写 < 擦 在时间上数量级递增
  2. 写入必须先擦除，但擦除粒度比写大得多
  3. 擦写有寿命——次数有限就报废

这就是为什么 SSD 需要复杂的控制器——下一篇专门讲。

SLC / MLC / TLC / QLC / PLC

通过控制浮栅里的电荷量，一个单元可以存多个 bit：

graph LR
  SLC[SLC
1 bit/cell
2 个状态] --> MLC[MLC
2 bit/cell
4 个状态]
  MLC --> TLC[TLC
3 bit/cell
8 个状态]
  TLC --> QLC[QLC
4 bit/cell
16 个状态]
  QLC --> PLC[PLC
5 bit/cell
32 个状态]

关键参数对比：

SLC MLC TLC QLC PLC
bit/cell 1 2 3 4 5
电压级别 2 4 8 16 32
擦写次数 (P/E cycles) 50K-100K 10K 1-3K 300-1K <300
读延迟 极快 快 中 慢 慢
写延迟 极快 中 慢 很慢 很慢
单 GB 价格 最贵 贵 甜点 便宜 最便宜
应用 缓存 / 工业 退场 主流 容量盘 实验阶段

bit 数翻倍 ≠ 容量翻倍，因为相邻电压间距越来越窄、ECC 越来越重，可用容量没全部利用。

现实情况：MLC 已经退场

2020 年后 MLC（2 bit/cell）几乎退出主流市场——TLC 在企业级也站稳了。当前情况：

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SLC：  仅做 SLC 缓存（其他 NAND 临时当 SLC 用）或工业卡
MLC：  几乎不再生产，少数老款
TLC：  数据中心主流（Solidigm/Samsung/Kioxia/海力士企业 SSD）
QLC：  容量盘（Solidigm D5 系列、三星 PM9D3a 等）
PLC：  在研，还没量产产品

TLC 是 2026 年的甜点——每 GB 比 QLC 贵 30-50%，但寿命是 3-10 倍。

平面 NAND 的死亡 → 3D NAND 的兴起

2D 平面 NAND 的极限

早期 NAND 单元在芯片上平铺：

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NAND die 表面：
  ┌──────────────────┐
  │ □ □ □ □ □ □ □ □  │ ← 单元一个挨一个
  │ □ □ □ □ □ □ □ □  │
  │ □ □ □ □ □ □ □ □  │
  └──────────────────┘

工艺缩到 1Xnm（约 14-16 nm）后，相邻单元间的电荷干扰、隧穿氧化层退化让密度无法再提——2D NAND 在 2014 年左右撞墙。

3D NAND：把单元堆起来

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3D NAND（垂直堆叠）：
  ┌──────────────────┐
  │ ▓▓▓▓▓▓▓▓ ←  64 / 128 / 232 / 321 / 432 层
  │ ▓▓▓▓▓▓▓▓
  │ ▓▓▓▓▓▓▓▓
  │ ▓▓▓▓▓▓▓▓
  └──────────────────┘
  通过 String 管道穿过所有层

把单元做在垂直方向——横向工艺不用缩，密度靠堆层涨：

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2014：3D NAND 24 层 / 32 层（量产起步）
2017：64 层
2019：96 层
2021：128 层
2022：176 层
2024：232 层（YMTC 等已超过）
2025：321 层 / 218 层 + Hybrid Bonding（Wafer Bonding）
2026+：400+ 层在研

3D NAND 是过去十年存储工艺最重要的演进——比工艺微缩更重要。

关键技术：CuA / String Stacking / Hybrid Bonding

随着层数越堆越多，几个工艺难点逐步出现：

CuA（CMOS-under-Array）

把外围电路（CMOS）放到 NAND 阵列下面，省芯片面积。

String Stacking

一次 etch 几百层很难——把 200 多层分成两组，先做 100 多层、再做另 100 多层对位接上。

Hybrid Bonding（混合键合）

把 CMOS 和 NAND 分别在不同 wafer 上做，再焊接在一起。各做各的最优工艺。长江存储（YMTC）的 X-Tacking 是这条路的代表。

待补充：YMTC X-Tacking 4 代当前进展。

NAND 颗粒供应商

NAND 是当前国产化推进相对成功的领域：

厂商 主要工艺 当前主流 国别
Samsung V-NAND V8 232 层（2024） 韩国
SK海力士 / Solidigm 4D / V7 232 层（合并 Solidigm 后） 韩 / 美
Kioxia / WD BiCS BiCS8 218 层 日 / 美
Micron Replacement Gate G9 232 层 美
YMTC（长江存储） Xtacking Xtacking 4.0 232 层 中

待补充：Solidigm（前 Intel NAND 业务卖给 SK 海力士子公司）、Kioxia/WD（合并/分离话题）的最新结构。

国内 YMTC 是少数能与国际同步层数的厂家——232 层 TLC 已规模量产。但受到出口管制影响，YMTC 在 2025-2026 年扩产受限。

NAND 颗粒上的”花样”

一颗 NAND die 不是简单”一堆 cell”，里面还有：

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Plane（面）         一颗 die 内 2-4 个独立操作单元
Block（块）         擦除粒度，10-20 MB
Page（页）           读写粒度，4-16 KB
String（串）         3D NAND 一根穿过所有层的导线
WL/BL                字线/位线

多 plane 操作

现代 NAND 单 die 有 4-6 个 plane，可以并行读写——这是 SSD 控制器能堆出高 IOPS 的物理基础。

Open Block 问题

正在写入的 block 叫 “open block”。多个并发写如果落在同一 open block 上会互相影响——这是 SSD 多线程性能的考量点。

NAND 的可靠性问题

1. P/E Wear（擦写磨损）

每次擦除让隧穿氧化层退化一点。次数到达上限后，单元保电能力减弱。

2. Read Disturb（读干扰）

频繁读一行会”逐步擦”相邻行——很神奇但物理上确有影响。每读 N 次需要一次 refresh。

3. Data Retention（保电时间）

新写入的数据可以保 10 年，磨损到末期可能只能保几个月。断电存放 1 年的 SSD 数据可能丢失——这是不能用 SSD 替代磁带做长期归档的原因。

4. Program Disturb（写干扰）

写一个单元会影响相邻单元——尤其是 3D NAND 里同 String 上的相邻 cell。

应对：强 ECC + 后台 refresh + wear leveling，下一篇讲控制器时细说。

QLC 在企业级的崛起

QLC 写性能差、寿命短，按理不该上数据中心。但近 2 年 QLC 在企业市场份额快速增加：

理由：

  1. 冷数据 / 读多写少：对象存储、AI 训练数据集、CDN 边缘缓存——这些场景写入很少
  2. 超大容量：单盘 30-122 TB QLC SSD 已上市（Solidigm D5-P5336 是代表）
  3. 带宽 + IOPS 仍优于 HDD：即便是 QLC，也比 HDD 快百倍
graph LR
  HOT[热数据
OLTP / 高频读写] --> TLC[TLC SSD]
  WARM[温数据
分析 / 中频] --> TLC
  COLD[冷数据
归档 / 低频] --> QLC[QLC 大容量 SSD
or HDD]
  ARCHIVE[超冷数据
极少访问] --> HDD[HDD / 磁带]

QLC 正在接管”温-冷数据”层，把 HDD 边界向更冷的方向继续压。

一张总结

graph TB
  CELL[NAND 单元
浮栅或电荷陷阱]
  CELL --> SLC2[SLC 1bit]
  CELL --> MLC2[MLC 2bit]
  CELL --> TLC2[TLC 3bit]
  CELL --> QLC2[QLC 4bit]
  CELL --> PLC2[PLC 5bit]
  
  STR[3D NAND 结构]
  STR --> P1[Page 4-16KB 读写]
  STR --> P2[Block 多 MB 擦除]
  STR --> P3[Plane 并行]
  STR --> P4[Layer 232+ 堆叠]

小结

  • NAND 单元用浮栅或电荷陷阱存电荷，断电不丢
  • bit/cell 越多容量越大但写慢、寿命短：TLC 是企业级当前甜点
  • 平面 NAND 在 14nm 撞墙，3D NAND 用堆层涨密度
  • 当前 232 层是主流，长江存储跟上节奏
  • NAND 有 P/E wear、read disturb、data retention 等可靠性问题
  • QLC 在数据中心快速上量，吃 HDD 温/冷数据份额

下一篇讲 SSD 控制器和 FTL——把 NAND 的反人类特性藏起来的关键。