从磁带等看存储介质演变，探东芝如何缔造闪存世界

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    存储介质在不断演变，这一步步地改变了整个世界。从磁带到磁盘，再到光盘和硬盘，闪存的发明就如同人类实现了“登月”一样意义重大。如今，无论是个人电脑、手机、平板，还是企业数据中心、云计算、云服务，闪存都已经遍布到了全世界的每个角落，对每个人的生活都产生着影响。闪存是 1984 年由东芝研发出来的一种全新半导体存储器。接下来，我们通过回顾来一起探究东芝是怎样成为闪存世界的缔造者的。

    问世30年，看闪存如何诞生

    电脑发明初期，PC 的存储介质包含磁带、磁盘、光盘、硬盘。这几种介质存在明显的共同缺点，即体积大、速度慢且易损坏。它们不仅在性能提升方面容易受到物理条件的限制，对震动的耐受能力也普遍较弱。当东芝的全新半导体存储器问世后，因其具有超快的擦除能力，所以被命名为闪存（Flash）。

    最初的闪存被称作 NOR 类型。它具备与内存极为相似的随机寻址能力，能够对每个单元进行存取操作。许多单片机到现在依然在使用 NOR 闪存，通过这种方式，程序能够在 ROM 内直接执行，而不用先把它调入 RAM 内存。1987 年问世的 NAND 型闪存是在 NOR 闪存基础上发展而来的。因为共用位线，NAND 闪存丧失了 NOR 的随机寻址能力，不过却获得了更大的容量以及更亲民的价格。

    早期的闪存容量只有 2MB。接着，随着半导体制程不断发展，闪存容量实现了从 MB 级别跨越到 GB 级别，进而又跨越到 TB 级别。同时，闪存容量的发展也促使了 SD 卡、U盘 等采用闪存作为存储介质的设备蓬勃发展起来。

    闪存容量提升了，单位容量价格下降了，于是一种新型的内置存储部件诞生了，那就是固态硬盘（SSD）。它已经从早期只有硬件发烧友才拥有的专利，演变成了装机时必不可少的重要配件。东芝 TR200 的问世，把 3D 闪存固态硬盘的门槛降到了人人都可以拥有的程度。

    东芝发明了闪存之后，闪存颗粒呈现出了多种形态。其中，最为常见的有两种外在封装形式，分别是 TSOP 和 BGA。

    TSOP：

    TSOP 是“Thin Small”的缩写，其含义为薄型小尺寸封装。在芯片的周围会做出引脚，并且通过 SMT 技术（表面安装技术）直接附着在 PCB 板的表面，这种内存具备成本低以及应用广的特点。

    BGA：

    BGA 是一种不同于 TSOP 的封装形式。其引脚位于芯片底部，以球栅阵列的形式展现。它简称 BGA（Ball Grid Array ）。BGA 能够在相同体积下封装容量更大的芯片，既提升了存储密度，又降低了体积占用，在移动设备的 UFS 闪存以及 M.2 固态硬盘闪存颗粒中被广泛应用。

    闪存颗粒的外表是黑色的，那只是封装所用的树脂材料。而内部被封装的闪存芯片，已经被自动化生产工具用细微铜线与对应的外部接口相连了，这个过程叫做引线键合。

    当需要通过多层堆叠的 3D 封装来提高存储密度时，会运用更为先进的 TSV 硅通孔技术。

    闪存从 2D 到 3D 的转变，并非仅仅是像下图那样把多个闪存芯片直接堆叠在一起。

    除了三维立体的变化，还涉及到了结构与工艺的改变。

    东芝 BiCS 3D 闪存采用了全新的 Trap 结构。这种 Trap 结构与传统的 Gate 闪存结构相比。在抗读取干扰方面具有明显的优势。并且从根本上提升了性能。

    2018 年，东芝会持续提升 3D 闪存的堆叠层数到 96 层。这样能延续容量增长以及成本降低的趋势，让优秀的技术切实地造福民众。堆叠层数的提升，不只是数字上的增加，更是一次次技术革新所带来的进步。

    提到固态硬盘时，需要说到以下几个专业术语：SLC、MLC、TLC 以及 3D。

    SLC 被称为 -Level Cell ，意味着 1bit/cell 。它具有速度快和寿命长的特点，然而价格较为昂贵，大约是 MLC 价格的 3 倍以上，其擦写寿命约为 10 万次。

    MLC 指的是 Multi-Level Cell，意味着 2bit/cell。它的速度较为普通，寿命也较为普通，价格同样较为普通，大约有 3000 到 10000 次的擦写寿命。

    TLC 指的是 -Level Cell，也就是 3bit/cell。有些 Flash 厂家将其称为 8LC。这种类型的存储速度较慢且寿命较短，但其价格较为便宜，大约有 500 到 1000 次的擦写寿命。

    简单来说，SLC 的性能是最优的，并且价格超高，通常被用作企业级或高端发烧友的选择。MLC 的性能是能够满足需求的，价格也比较适中，成为消费级 SSD 应用的主流。TLC 的综合性能是最低的，价格却是最便宜的。不过，可以通过高性能主控以及主控算法来对 TLC 闪存的性能进行弥补和提高。

    现在 3D NAND 技术在不断发展。各大存储大厂都开始推出自家的大容量闪存，这些闪存是基于新一代 3D NAND 技术的。东芝作为闪存世界的缔造者，一直都在努力发展高速度、高效能以及大容量的闪存技术。所以单颗东芝闪存颗粒即可提供最高 1TB 的存储容量。

   

    东芝 XG5-P NVMe 固态硬盘应用了 BiCS3 闪存，它在 M.2 2280 这种小巧的规格下，能够提供最高 2TB 的存储容量，并且顺序读写速度高达 3000/2200 MB/s，随机读写的 IOPS 分别为 320K 和 265K。

    明年，96 层堆叠技术的 BiCS4 闪存问世了，同时东芝首创的 QLC 技术也问世了。单个闪存颗粒能够提供高达 1.5TB 的存储容量。它不仅在性能方面超越了机械硬盘，而且在容量上成为引领未来数据存储的新动力。

    此后闪存才进入到 3D 时代。

    在平面 2D 的时代，利用位线以及字线便可以确定需要进行操作的闪存存储单元。

    进入 3D 时代后，情况发生了变化。除了原本就有的位线和字线之外，新增加了选择门电路。

    位线与字线相结合，再通过选择门电路，利用存储孔洞，最终能够选出一个特定的存储单元。

    在写入时，施加不同的电压能改变存储在闪存里的数据。在数据写入过程中，通过切换字线可以对不同位置的 Page 进行编程。

    通过切换选择门电路，则可以在不同闪存阵列中转换读写目标。

    为适应 3D 立体化，BiCS 闪存存储单元的结构有了改变。这种改变是革命性的。

    应用 3D 立体结构后，芯片尺寸得以缩小，进而使存储密度大幅增加。并且，东芝 BiCS 3D 闪存中存储器单元的间隔比 2D NAND 闪存的大，这使得闪存写入速度获得了极大提升。

    3D晶圆封装：

    东芝为了提升存储密度，要在更小空间容纳更大存储容量，所以应用了先进的 TSV 工艺晶圆级封装技术。

    TSV 是 Vias 硅通孔的缩写。它是一项能在多个晶圆间进行堆叠与连接的技术。这项技术利用短的垂直电连接，或者通过硅晶片的“通孔”，来建立从芯片的有效侧到背面的电连接。TSV 能提供最短的互连路径，为最终的 3D 集成创造了途径。

    多个闪存芯片通过 TSV 硅通孔技术被连接起来，然后封装在同一个闪存颗粒当中，单个闪存颗粒的容量最高能够达到 1TB。

    三种 3D 工艺中，3D 存储技术以东芝 BiCS 为代表，它出现的时间最晚，并且具备最强的发展潜力。东芝计划在今年推出第四代 BiCS 技术，该技术是 96 层堆叠的，还辅以全新的 QLC 闪存架构，这样一来，单颗闪存颗粒的容量将突破 1.5TB，从而推动手机 UFS 闪存以及电脑固态硬盘存储容量实现翻倍增长。

    前文提到 TLC 闪存 SSD 能够借助高性能主控以及主控算法来对 TLC 闪存的性能进行弥补和提高。普遍的做法是运用了 SLC 缓存技术，一般是用固定容量的 TLC 闪存来模拟 SLC 进行使用，以此达到提升爆发写入性能的效果。

    很多人并不知晓，东芝在 MLC 闪存固态硬盘里加入了与众不同的 SLC 特技，即 Size SLC Write Cache 可变容量 SLC 写入缓存。这是怎样达成的呢？

    以东芝 Q200 240G 为例，它具备 256GB 的实际闪存空间。若以一个方框来表示 16GB 的 MLC 闪存容量，那么 Q200 240G 可用 16 个这样的方框来体现其存储总容量。当用户向 Q200 内写入数据时，会直接运用 SLC 的方式对 MLC 闪存进行编程写入，这样能获得更快的写入速度以及更低的闪存磨损，从而带来额外的寿命增益。

    TLC 固态硬盘使用了 SLC 缓存。与其他情况不同的是，东芝的 SLC Write Cache 不会自动释放，而是会主动将数据保留在 SLC 状态。当用户使用率小于一半时，数据是以 SLC 模式存储的，能够充分调动所有闪存存储单元，以实现性能最优化。这时 Q200 实际上是以一种类似纯粹 SLC 闪存固态硬盘的模式来进行运作的，它的性能处于 SATA 接口固态硬盘的最高水平。

    固态硬盘使用时，用户空间使用率不断增长。当 Q200 240G 写入 128GB 数据，此时所有 MLC 闪存单元都以 SLC 模式被写满数据。

    有些朋友可能会担心接下来该怎么做吧？240GB 的固态硬盘不能只存储 128GB 的数据呀。当有进一步的写入出现时，东芝所独有的固件技术能够把最初以 SLC 形态写入到硬盘的数据释放成 MLC 状态，这样就能节省出 50%的空间，并且可以立刻将这些节省出的空间投入到新的写入当中。东芝 MLC 闪存性能优秀，所以两项工作能够均衡同步进行。而 TLC 闪存以及部分写入性能差的其他类型 MLC 闪存，难以适应这种使用模式。

   

    东芝主控有独特算法的支持。Q200 盘内使用 MLC 闪存组成了 SLC 缓存。这个 SLC 缓存的容量其实是不固定的。这也就是 SLC Write Cache 的由来。

    东芝除了凭借独有的 SLC Write Cache 技术来确保 SSD 的高速性能之外，在稳定性方面还有创新之举。比如当前 LDPC 纠错已经成为很多固态硬盘产品的标配特性，而东芝在闪存纠错技术上也有着独特的技术。

    LDPC 码的全称为 Low - Check 低密度奇偶校验码。它广泛应用于深空通信等高精尖领域。近几年，在固态硬盘纠错技术中使用 LDPC 纠错成为了新的发展。使用 LDPC 纠错能够将以往基于传统 BCH 码的闪存纠错能力提升 3 倍以上。

    LDPC 纠错算法与 BCH 码相比更为复杂。当闪存错误率提升时，LDPC 纠错所需要的迭代计算量将会大幅增加。随着延迟的上升，吞吐带宽会出现下降的情况。不过，与 BCH 纠错相比，其功耗表现仍具有优势。

    LDPC 纠错包含硬解码和软解码这两种方式。软判决的纠错能力较为强大，然而，它的延迟要比硬解码更高一些。

    简单来说，硬解码和 BCH 纠错有相似之处，它仅以硬判决的数据作为输入，一次读取就能达成目的。硬判决是通过设定阈值来输出结果，把闪存读取电压转换为二进制，若大于 0 则判断为 1，小于 0 则判断为 0，方式较为直接。LDPC 硬解码执行时延迟较低，其效果比 BCH 纠错码配合 Read Retry更好。

    软解码就如同 LDPC 纠错的核心所在。在以往 BCH 纠错的过程里，Read Retry 是在纠错失败时的一种补充方式，它会重复读取闪存并再次尝试，从而提升了纠错成功的可能性。LDPC 纠错中的软解码存在重复读取的操作，并且会把多次读取的参数依据情况进行细微调整，从而得到多组不同的“软数据”，接着把这些读取到的软数据与对数似然比（Log-Ratio）相结合，进行多次迭代运算，最终实现 LDPC 软解码。硬判决如同进行一半对一半的一刀切。软判决更具人性化，它会依据数似然比（Log-Ratio）的信息来分析数据是 0 还是 1 的概率分别为多大。通过多组软数据得出计算结果，最终能给出更精确且更接近真实的纠错效果。

    东芝会在 LDPC 硬解码和软解码的基础之上，应用 DSP 数字信号处理技术来处理从闪存读取到的数据，以此增强纠错效果。东芝的专利 QSBC 纠错，是将传统 BCH 纠错、当代 LDPC 技术与 DSP 数字信号处理以及原厂对数似然比（Log-Ratio）经验相结合后，所得到的超强纠错算法。

    全新一代 BiCS 闪存以高耐久度和高性能为代表，它配合 QSBC 纠错，最终得到的是能让全球用户信赖的高品质东芝原厂固态硬盘。

    未来的固态硬盘长什么样？

    2.5寸SATA：

    SATA 接口已经问世很长时间了。它至今仍然充满活力。东芝在推出消费级 3D 闪存固态硬盘的时候，首先选择的就是 SATA 接口。

    SATA接口以2.5寸形态居多，可广泛兼容台式机、笔记本。

    mSATA：

    mSATA 是首个专门为固态硬盘而诞生的硬盘接口。它借助原有 mini PCIE 接口的物理层来承载 SATA 协议，从而实现了将固态硬盘小型化这一成果。

    M.2：

    M.2 根据长宽尺寸的差异预设了多种规格，有 1620、2230、2242、2260、2280 等。东芝 Q200 使用的是其中很常见的 M.2 2280 规格。该规格的长度是 80mm，宽度为 22mm。宽度刚好能够容纳颗粒，长度则能够容纳主控以及 4 颗 Flash 颗粒。M.2 在空间方面比 mSATA 更为紧凑，并且它符合笔记本电脑朝着轻薄化发展的方向。

    NVMe 是针对闪存存储特别设计的新协议，它具备低延迟的特性，在未来很长一段时间内将会成为主流。东芝在 CES 2018 上推出了 RC100 这款消费级的 NVMe 固态硬盘。

    RC100凭借其 M.2 2242 的迷你身形以及全新的 Host 特性，在今明两年会成为消费级固态硬盘的新风向标。它具有体积小的特点，重量也很轻，性能强劲，同时成本还低。

    RC100未来除了有 M.2 2242 规格之外，还会有 BGA 单芯片封装形式，这种封装形式能够被原始设备制造商集成到二合一平板电脑中，也能够被集成到超轻薄笔记本电脑中。

    单芯片封装带来的优势不只是体积方面的。当前移动设备常用的是 eMMC 或 UFS 闪存，而 RC100 与之相比，读写性能更强，响应延迟更低。并且，它还能带来更低的功耗表现，能延长笔记本电脑的电池续航时间，使得未来电脑像手机一样全天待机不再是梦想。

    东芝是闪存世界的缔造者。东芝在企业级领域方面，会始终走在新技术研发的前沿，引领未来数据存储新趋势。东芝在个人消费领域方面，也会始终走在新技术研发的前沿，引领未来数据存储新趋势。东芝除了提供高性能、高耐久的闪存产品之外，还会始终走在新技术研发的前沿，引领未来数据存储新趋势。