三級單元（TLC）、多級單元（MLC）、單級單元（SLC）、偽單級單元（pSLC）——閃存技術有很多種。開發者需要了解存儲的基本機制和存儲層面的作用，才能知道哪些閃存產品最適合特定的應用。只有這樣，他們才會知道要向供應商提出什么問題。

應用程序的不同方面可以決定嵌入式工業系統內存模塊的選擇。這些包括讀寫速度、耐久性（或閃存介質的壽命）、保留（存儲數據的壽命）、電源故障時的數據安全性、溫度和抗振性、產品的長期可用性等。 NAND 芯片的老化是一種閃存特有的效應，在決策過程中也起著重要作用。

NAND 閃存設備的單元只能在有限數量的塊擦除周期中存活。在分隔存儲柵極的氧化層中，具有更高能級的電子（熱電子）在被編程電壓加速后被捕獲。在適當的時候，這會改變閾值電壓，直到單元不再可讀（圖 1）。

圖 1.老化電池：電子聚集在隧道氧化層中，逐漸改變閾值電壓值。隧道氧化物中的裂縫會產生泄漏電流路徑，從而使電荷泄漏。讀取錯誤會增加，直到整個塊被拒絕為“壞塊”。

閃存老化——什么時候結束？

還有第二種老化效應：通過氧化層形成導電路徑。這導致單元逐漸失去其充電狀態，從而失去存儲位。

高溫大大放大了這種影響。使用 25 nm MLC NAND 設備的研究表明，在 55 °C 下五年后，保留率下降到大約 75%。在 85 °C（相對溫和的增長）下，保留率下降到 10% 以下。

此外，隨著時間的推移，隨著單元越來越接近其最大編程擦除周期（P/E 周期），這種影響會變得更強。這里對保留的影響是巨大的。例如，低成本 MLC NAND 閃存設備的原始保留容量為 10 年，在達到 3，000 個 P/E 周期后，可能會降至大約一年。

同樣，低成本 TLC NAND 閃存芯片的充電狀態和閾值電壓挑戰需要八種不同的可區分電荷水平才能寫入每個單元的三位。在這些設計中，退化效應更加明顯，原始保留時間表僅在 500 個 P/E 周期后從一年下降到三個月。

雖然更昂貴的 SLC 設備會經歷相同的退化，但在這些影響發生之前必須發生大約 100，000 次 P/E 循環。顯著更高的 P/E 循環容差是 SLC 盡管成本較高但仍然是工業應用首選閃存技術的一個重要原因。

成本妥協：pSLC

引入 pSLC 工藝是為了平衡成本與實現不同電荷水平數量的減少使 NAND 芯片上的數據存儲更加穩健的認識。與 SLC 相比，pSLC 為每個單元的第一個“強”位使用了更具成本效益的 MLC 芯片，并取得了一些驚人的結果。pSLC 模式明顯快于 MLC 閃存的標準工藝，并將退化前的 P/E 周期數從 3，000 增加到 20，000。在相同條件下，數據耐用性提高了 6.7 倍，而每位存儲的成本僅為兩倍（圖 2）

圖 2. SLC、pSLC 和 MLC NAND 閃存技術的耐用性比較。

耐力規格注意事項：工作量是決定性的

開發人員在選擇存儲設備時需要準確了解制造商的規格代表什么。兩項測量特別表明了 SSD 的耐用性：TB 寫入 （TBW） 和驅動器每天寫入 （DWPD）。TBW 表示在設備的生命周期內總共可以寫入多少數據，而 DWPD 表示在保修期內每天可以寫入的最大數據量。

有時詳盡的制造商規范面臨的挑戰是開發人員無法確定它們是否對相關應用程序有任何意義。規格值在很大程度上取決于測試期間的工作負載類型。例如，Swissbit 的 480 GB SSD 顯示出 1，360 TBW、912 TBW 和 140 TBW 的耐久性，具體取決于測量程序。順序寫入產生了 1，360 TBW 的最強值，而“客戶端工作負載”和“企業工作負載”分別占第二和第三個值。客戶端工作負載基于主要生成順序數據訪問操作的 PC 用戶的行為，而企業工作負載模擬多用戶服務器環境的行為，其中 80% 的數據是隨機訪問的。

此類耐久性測試基于 JEDEC 標準化組織制定的指南，有助于確保產品和制造商的可比性。然而，工作負載規格通常不包含在數據表中。許多制造商樂于宣傳基于僅在少數應用中使用的順序寫入的驚人耐用值。如上例所示，對于順序寫入和企業工作負載，閃存解決方案的耐用性值很容易相差 10 倍。買家必須謹慎行事。

壓力閃存

擦除加速了存儲單元的老化；但是，為了寫入，需要塊擦除。這可能會導致一個欺騙性的結論，即在純讀取應用程序中，如引導介質，由于數據保留時間延長，數據在長期內是安全的。不幸的是，這是一種誤解。還有其他情況會導致讀取錯誤并間接導致 NAND 單元的磨損。

在每次寫入過程中，與正在編程的單元相鄰的單元都受到壓力。這些顯示略微增加的電壓，稱為“程序干擾”。閱讀會導致壓力以及“閱讀干擾”，其中相鄰頁面會收集電壓。隨著時間的推移，這些細胞中儲存的電勢會增加。這會導致讀取錯誤，在刪除塊后，讀取錯誤會再次消失。由于電壓較低，讀取的效果比寫入的效果要弱，但仍然會發生位錯誤。這些通過刪除塊在糾錯碼 （ECC） 中得到補償。

但是，開發人員仍然必須考慮到，在重復讀取相同數據的應用程序中效果特別強，這意味著即使在僅用于讀取的存儲介質中，也必須刪除塊并定期寫入頁面作為錯誤的一部分更正。結果，這個媒介也變老了。

內部擔憂

這種中等老化導致閃存設備的“內部問題”。擦除、寫入和讀取不僅由實際應用程序觸發，還由眾多控制器和固件進程觸發。這里發生的事情經常被忽視，但會再次影響速度和耐力等性能因素。

除了糾錯之外，這些內部機制中的另一個是磨損均衡。當一個單元發生故障時，必須將完整的塊標記為“壞塊”。出于持久性目的，如果可能，延遲此故障非常重要。這可以使用磨損均衡來實現，磨損均衡是物理內存地址使用的均勻分布。另一種內部機制是垃圾收集，即釋放塊的重新復制。

這些過程首先補充了使數據存儲成為可能的機制：邏輯地址和物理地址之間的映射。閃存介質控制器的效率是通過來自主機的用戶數據與寫入閃存的實際數據值之間的比率來衡量的。這使用寫放大因子 （WAF） 來表示。

減少WAF是更長續航的關鍵之一。有一些工作量因素會影響 WAF，例如順序訪問和隨機訪問之間的差異、與頁面相關的數據塊大小以及塊大小本身。因此，固件還確定閃存介質是否適合應用程序。

制造商如何提高效率

為了更好地理解，下面是另一種關于閃存工作原理的論述。單元塊的頁面必須連續編程，但只能刪除完整的塊。在標準過程中，邏輯地址和物理地址之間的映射是指塊。這對于順序數據非常有效，因為一個塊的頁面是連續寫入的。連續收集的視頻數據是理想的基于塊分配的應用示例之一。

這對于隨機數據是不同的。在這里，頁面被寫入許多不同的塊中。這意味著對于每次內部重新編程，每頁都必須刪除一個完整的塊。因此，WAF 高，耐久性降低。因此，基于頁面的映射更適合非順序數據。在這里，固件確保不同來源的數據按順序保存在一個塊的頁面上。這減少了刪除的數量——對耐用性有積極的影響——并提高了寫入性能。然而，基于頁面的映射增加了閃存轉換層（FTL）的分配表。制造商通過集成 DRAM 來彌補這一點。因此，基于頁面的映射的好處并非沒有結果。

豐富的過度配置作為質量特征

如果數據介質的使用程度迫使 WAF 上升，則基于頁面的映射也是有益的。閃存介質上存儲的數據越多，固件必須來回移動的位就越多。制造商可以通過簡單的過度配置來防止數據介質過載的問題。這是指僅為內部活動保留的閃存區域。按照慣例，這占總面積的 7%，按照千兆字節規范，十進制和二進制值之間存在差異。

如果預留 12% 而不是 7% 用于過度配置，則會產生令人驚訝的效果。對于具有相同硬件的兩個 SSD 的耐久性比較（企業工作負載的 TBW），240 GB Swissbit 型號 X-60 durabit 其 12% 的區域保留用于過度配置，其值幾乎是 256 GB 型號的兩倍。 如果再看一下 DRAM 對耐用性的影響，240 GB durabit 版本的差異是 256 GB 標準版本的 10 倍（注：正如使用 MLC 作為 pSLC 時已經實現的那樣，顯著的積極耐用性效果可以通過上述內存容量或通過應用過度配置來達到）。

數據維護

糾錯和磨損均衡是通用閃存產品中也使用的機制。對于高質量的工業 SDD 或閃存卡，制造商會進一步努力防止數據丟失和系統故障。因此，ECC監控、讀取干擾管理和自動讀取刷新等不同機制的組合確保了所有存儲的數據都得到監控和按需刷新。這允許提前防止系統故障。（注意：應在不涉及主機應用程序的情況下確保數據完整性。這允許進程在存儲卡內自主運行——不僅僅是在主機應用程序的讀取請求之后出現累積位錯誤時，通常情況下）。

因此，高級數據護理管理搜索獨立于應用程序對潛在錯誤的請求（圖 3）。為此，所有寫入的頁面，包括固件和 FTL 的分配表，都在后臺讀取并根據需要刷新。這種預防性糾錯有多種觸發因素，包括定義的重復開關次數、P/E 周期數、讀取數據量、讀取重復/重新讀取以及溫度升高。

圖 3.數據護理管理可抵消逐漸丟失的數據。因此，所有寫入的塊都在后臺讀取，并且在復制、修復和重寫太多位錯誤的情況下。

知道選擇什么

了解閃存技術的不同方面是選擇最適合工業應用的存儲解決方案的關鍵。當然，還應考慮電源故障保護機制、特別穩健的處理以及擴展溫度范圍的規范等標準 。

為特定應用指定的模塊的長期可用性也很重要。這就是為什么一種閃存——3D NAND——在這里根本沒有出現的原因。這項技術仍然太新，無法確保長期可用性，而且創新周期和設計變更對于工業產品生命周期來說仍然過于臨時。

最終，這些 NAND 閃存設備的耐用性和數據保留經驗值在選擇工業存儲技術時至關重要。優化這些值是工業閃存產品制造商的一項關鍵任務，客戶應在購買前按這些數字。

審核編輯：郭婷