同芯不同命　誰在影響NAND閃存的性能

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閃存自身的迭代

在半導(dǎo)體存儲器領(lǐng)域，“NAND”是NAND Flash Memor y的簡稱，所以它在國內(nèi)通常會被翻譯成“快閃存儲器”，也就是所謂的“閃存”（圖2）。閃存是一種非易失性存儲器（Non-Volatile Memory，NVM），斷電后它所存儲的數(shù)據(jù)不會消失。我們熟悉的內(nèi)存（DR AM、SR AM）則是一種易失性存儲器（VolatileMemory，VM），斷電后所存儲的數(shù)據(jù)會消失。

火速鏈接

如果你對閃存的架構(gòu)和3D堆疊技術(shù)感興趣，可以參考本刊2021年第14期《大勢所趨 QLC閃存是否值得重用》這篇文章。

閃存自身也是在不斷迭代進(jìn)化的，2021年主流閃存的性能肯定要比幾年前的閃存強很多。影響閃存自身性能的因素有很多，比如制程工藝、閃存架構(gòu)、3D堆疊技術(shù)等。其中，閃存架構(gòu)即我們熟悉的SLC、MLC、TLC和QLC，目前中高端閃存均以TLC為主，而QLC雖然性能有所降低但憑借成本優(yōu)勢正在逐漸蠶食T LC閃存的市場。制程工藝和3D堆疊技術(shù)相輔相成，最新工藝+96層或144層的3D NAND技術(shù)可以將1TB容量封裝進(jìn)一顆NAND閃存芯片里（圖3）。

需要注意的是，存儲卡、手機和SSD固態(tài)硬盤內(nèi)置閃存芯片的封裝標(biāo)準(zhǔn)各不相同，比如SSD內(nèi)的閃存芯片表面積就已經(jīng)和一些閃存盤的大小相當(dāng)，存儲卡內(nèi)置的閃存芯片尺寸則更迷你。一般來說，同容量但封裝尺寸更大（所以SSD性能先天占優(yōu)）或單芯片容量越大（內(nèi)部可組成類似雙通道的工作模式）的閃存芯片具備更好的性能潛力，性能越好。

存儲卡的速度之謎

存儲卡包含Secure Digital Memory Card（SD）、MicroSD Card（又稱TF）、Compact Flash（CF）、MemoryStick（MS）等諸多形態(tài)，但如今依舊流行的則只剩下了SD和MicroSD（TF），并逐漸衍生出了SDHC（SD2.0）、SDXC（SD3.0）和SDUC（SD7.0）標(biāo)準(zhǔn)。

雖然存儲卡輕巧迷你，但它也算“五臟俱全”，除了裸露在外的金手指外，內(nèi)部還同時封裝了主控芯片和閃存芯片（圖4）。不過，存儲卡的主控只需要實現(xiàn)最基礎(chǔ)的功能即可，并不像SSD硬盤那般需要針對閃存顆粒進(jìn)行讀寫優(yōu)化、寫入策略優(yōu)化等，所以尺寸和功耗極低，沒什么存在感。

一款存儲卡的性能，主要看它采用的S D規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及總線接口。以通用性最好的MicroSD存儲卡為例，目前市面上多以SDXC+UHS-I為主，讀取速度普遍在100MB /s～170 MB /s之間（圖5）。采用UHS-II或UHS-III總線標(biāo)準(zhǔn)的存儲卡速度可以媲美SATA SSD，但它們的價格昂貴，而且采用了雙排金手指（圖6），兼容這類存儲卡的設(shè)備也多以專業(yè)單反相機和攝像機為主。

SD7.x是最新的SD卡規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（表1），它們引入了PCIe總線和N V M e協(xié)議，讀取速度理論可達(dá)9 8 5MB/s，目前威剛已經(jīng)推出了符合該標(biāo)準(zhǔn)的Premier ExtremeSDXC SD Express存儲卡（圖7），但SD7.x存儲卡的價格更是嚇人，兼容這種存儲卡的設(shè)備也是鳳毛麟角。

總的來說，存儲卡是NAND介質(zhì)存儲產(chǎn)品中速度（相對）最慢的，其性能更加依賴終端設(shè)備（如手機、相機、筆記本）身上的的讀卡器以及控制芯片，而相關(guān)的OEM廠商并不愿意在這方面增加預(yù)算，所以哪怕存儲卡已經(jīng)有了超高速的SD7.x標(biāo)準(zhǔn)，但至今連UHS-II還未大規(guī)模普及，普通用戶更是很難接觸到。

閃存盤的高速之源

我們可以將閃存盤理解為“自帶USB接口的存儲卡”。只是，閃存盤的體型相對更大一些，其實際性能全看內(nèi)置的閃存和主控芯片的規(guī)格，對終端設(shè)備沒有太高要求（只要支持對應(yīng)的US B3.xGen1/2標(biāo)準(zhǔn)的接口即可）。目前閃存盤的主控生產(chǎn)廠商主要以群聯(lián)（Phison）、慧榮（SMI）、鑫創(chuàng)（SSS）、聯(lián)陽（ITE）、安國（ALCOR）、銀燦（Innostor）為主。閃存盤領(lǐng)域可要比存儲卡復(fù)雜多了。從形態(tài)上，閃存盤包含Nano迷你型、單接口型、雙接口型（同時配備USB-A和USBType-C）;從速度上，閃存盤還存在US B2.0、USB?3.0/ 3.1/3.2Ge n1（5Gbps）和USB3.1/3.2Gen2（10Gbps）。

128GB/256GB版速度才能達(dá)到400MB/s，64GB版會降至300MB/s

Nano迷你型的閃存盤普遍采用了“黑膠體封裝”（又稱UDP黑膠體和PIP封裝技術(shù)），所有零部件一次成型，閃存盤內(nèi)部主體上沒有一絲縫隙，也因此獲得了不易損壞、可靠性高、防水、防震、防塵、防磁等優(yōu)點（圖8）。不過，這種結(jié)構(gòu)的閃存盤性能普遍一般（速度多在200MB/s以內(nèi)），最大的優(yōu)勢就是小巧便攜不占空間。但凡事都有例外，三星FIT升級版+雖然也是Nano迷你型，但速度依舊可達(dá)400MB/s，應(yīng)該是三星解決了高性能主控的小型化封裝技術(shù)，代價則是成本更高（圖9）。

更高速度的閃存盤普遍采用閃存和主控芯片分離的設(shè)計，部分型號可以實現(xiàn)超過400MB/s的讀取速度，主要是因為它們內(nèi)部是由SSD主控芯片+閃存芯片+USB橋接芯片組成，所以還被不少網(wǎng)友譽為“固態(tài)閃存盤”（USSD）。以閃迪CZ880為例，這款高端閃存盤就采用了祥碩科技ASMedia ASM1153E SATA3（6Gbps）To USB 3.1Gen1（5Gbps）的轉(zhuǎn)接芯片（圖10）。

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需要注意的是，高端閃存盤未來的發(fā)展趨勢是摒棄了過去的橋接設(shè)計，直接集成更高性能的單主控芯片。比如金士頓DataTravelerMax就內(nèi)置慧榮SM2320主控，在單芯片（不算閃存）的基礎(chǔ)上就支持USB3.2 Gen2標(biāo)準(zhǔn)，實際傳輸速率可達(dá)1000MB/s（圖11）。

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今年初，群聯(lián)還發(fā)布了全球首個和最快的USB3. 2Gen2×2（20Gbps）閃存盤主控（PS2251-18），其連續(xù)讀取速度高達(dá)1900MB/s，連續(xù)寫入性能也能達(dá)到1700MB/s，堪比中端PCIe 3.0SSD。群聯(lián)曾表示，PS2251-18主控?zé)o需橋接控制器，降低了成本，簡化了PCBA設(shè)計。與基于橋接的USB外部S SD相比，能效提高了56%。

但是，這種超高速閃存盤也遇到了一些問題——為了解決高速度衍生的發(fā)熱問題，體積不可能太小，而且價格較之同容量20 0MB/s級別的閃存盤至少翻了一番。更尷尬的是，目前連標(biāo)配USB3.2 Gen2接口（10Gbps）的電腦還未普及，很多普通消費者哪怕咬牙購買也會“英雄無用武之地”。

總之，閃存盤是最通用的NAND介質(zhì)存儲產(chǎn)品，主控對其性能影響至關(guān)重要，上限極高，下限極低。需要注意的是，很多不知名品牌為了降低成本，會為閃存盤搭配“白片”甚至“黑片”閃存顆粒，對穩(wěn)定性和壽命的影響很大。所以強烈建議大家優(yōu)先挑選金士頓、三星、閃迪等一線品牌旗下的產(chǎn)品。

手機和SSD的進(jìn)化之路

CFan在近年來曾報道過很多有關(guān)手機（詳見2021年第11期《淺析手機內(nèi)存和閃存的優(yōu)化技術(shù)》）和SSD在存儲方面的技術(shù)，所以本文我們就簡單再梳理一遍。

手機存儲芯片雖然都是閃存，卻存在eMMC5.1（400MB/s左右）、UFS2.1/2.2（1000MB/s左右）和UFS3.0/3.1（2000MB/s左右）等標(biāo)準(zhǔn)，其中UFS3.x還能借助WriteTurbo虛擬技術(shù)進(jìn)一步提升寫入性能，以黑鯊4 Pro為代表的產(chǎn)品甚至還通過UFS3.1閃存+群聯(lián)SSD芯片組建Raid 0陣列的形式（圖12），獲得了接近3000MB/s的讀取速度。

SSD固態(tài)硬盤的性能主要受制于傳輸通道、協(xié)議和主控芯片。SATA、PCIe 3.0、PCIe 4.0的速度上限分別在550MB/s、3500MB/s 和7 0 00MB/s左右，也是所有NAND介質(zhì)存儲產(chǎn)品中最快的，通過硬盤盒（詳見2021年第21期《高速存儲全靠它 將閑置M.2 SSD打造成移動固態(tài)硬盤》），還能將它們打造成PSSD（移動固態(tài)硬盤），當(dāng)做大號閃存盤使用，速度最高可達(dá)3000MB/s級別。

不過，也正是因為固態(tài)硬盤的主控不僅要考慮讀寫策略，還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存機制、寫入機制進(jìn)行分配，以管理好眾多的閃存芯片，所以主控芯片的封裝尺寸很大，會占據(jù)PCB主板上的大量空間，充分印證了“越大越強”的真諦。

從很大程度上來看，都是閃存為主的存儲設(shè)備，主控越（大）強性能越強，因此才會出現(xiàn)固態(tài)硬盤>閃存盤>存儲卡的格局。手機存儲芯片則比較特殊，龐大的市場、出貨量和利潤，讓上下游企業(yè)有動力不斷進(jìn)行技術(shù)升級，獲得超越最強閃存盤的讀寫水平。

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