SSD数据在写入NAND之前为何要随机化?-Part1

SSD的存储介质是什么,它就是NAND闪存。那你知道NAND闪存是怎么工作的吗?其实,它就是由很多个晶体管组成的。这些晶体管里面存储着电荷,代表着我们的二进制数据,要么是“0”,要么是“1”。NAND闪存原理上是一个CMOS管,有两个栅极,一个是控制栅极(Control Gate), 一个是浮栅(Floating Gate). 浮栅的作用就是存储电荷,而浮栅与沟道之间的氧化层(Oxide Layer)的好坏决定着浮栅存储电荷的可靠性,也就是NAND闪存的寿命。

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目前市面上主要流通的就是4种NAND类型:SLC、MLC、TLC、QLC。随着每个寿命从高到低依次是SLC>MLC>TLC>QLC.

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以TLC 3D NAND为例,当一个存储单元需要存储多位信息时,这些位会被赋予不同的编程延迟,以允许在相同单元内区分它们

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在这种情况下,LSB、CSB和MSB是根据它们的编程延迟来定义的:

  • LSB (Least Significant Bit):最低有效位,这是在同一个存储单元中编程延迟最小的位。对于3位的TLC NAND闪存来说,LSB通常是第一个被写入的位,因为它的编程阈值最低。

  • CSB (Central Significant Bit):中央有效位,位于LSB和MSB之间,其编程延迟介于两者之间。在某些编程模式下,CSB可能是在LSB之后紧接着被编写的位。

  • MSB (Most Significant Bit):最高有效位,具有最高的编程阈值,在同一存储单元中的编程延迟最大。因此,它是最后被编写的位。

上面Vt分布中,理想情况是每个状态都有数据的均匀分布。实际情况,是随着我们对NAND写入数据pattern的不一样,对NAND本身可靠性差异也很大

  • Case1: 写入全是1的数据,写入数据的数据,全部集中在3态。这个时候,FN隧穿效应最为严重(“Fowler-Nordheim stress”,这是一种由于强电场导致的隧道氧化层中的应力。在闪存的操作过程中,这种应力可能导致隧道氧化层的损坏,从而影响闪存的性能和寿命)

  • Case2: 分布在1态和3态,这种情况下用ISPP(Incremental Step Pulse Programming)脉冲编程会有影响,导致1态向3态偏移严重。

  • Case3: 是最理想的情况,每个状态的比例完全均匀分布。对NAND的可靠性提升是最友好的。

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