【電腦科普】現行儲存界的王者 NAND Flash
2016-03-19 23:26:53 nNAND Flash，做為現行固態硬盤以及手機儲存空間的主流技術，它有高速傳輸以及抗震的優點，使其成為現行移動設備的市場占有者。然而，它究竟是怎么運作的？市場上常聽到的 SLC、MLC 又是什么東西？以下將一一說明。
一片 Flash 的內部會被區分成很多塊（block），每一塊再細分成許多頁（page）。我們可以將一片 Flash 比擬成一個書柜，書柜內部有很多本筆記本（block），每本筆記本里都有相同樣數量的頁面（page），有些頁面有資料，有些是空白的，就像是我們手機 或筆電的儲存空間一樣，有些地方有資料，有些地方是空的。
當我們要在書柜中找資料時，因為筆記本已經分門別類地放在架上，而且我們有張小抄記得要找的資料在哪一頁。因此，我們可迅速的找出該本筆記本，直接 翻到該頁查看資料。當要修改筆記本內部的資料時，則會找一空白的頁面，將修改后的資料寫在此頁上，把原本那一頁涂黑，并記下新的資料在那邊。
在 Flash 內部，有個專門的元件負責管理資料的存放，而 flash 的結構就像是書柜一樣。因此，我們可以輕易地如上所述那樣尋找資料以及撰寫資料。
因為修改資料是直接涂黑而非擦掉，因此，當其中一本筆記本差不多被涂黑之后，就只能將有用的資料抄至別處，直接換一本新的筆記本。Flash 則是當其中一塊里面的頁面都差不多不能再寫資料的時候，將有用的資料存到另一塊中，將不能讀寫的那一塊重新充電，讓該塊變得像新的一樣。
一個 NAND Flash 單元的結構如下圖。和 MOSFET 相比，它多了浮閘（Floating Gate），NAND Flash 便是藉由這個元件儲存資料。
當要將電子存放進浮閘時，便是調整控制閘（Word Line Control Gate）的電壓，讓部分電子以量子穿隧效應躍進浮閘。當電子充滿浮閘時，它便代表 0，當浮閘內部沒有電子時，則代表著 1。一旦要寫資料進入 memroy 中，則將部分元件的電子導出浮閘。這樣便可形成 0 和 1 相間的排列方式，滿足儲存資料的目標。
如果將多個 Flash 單元，以 NAND 邏輯閘的排列方式排列，如右上圖。這類的 Flash 便被稱為 NAND Flash。采用這個排列方式的 Flash 所具備的優點是可以減少 Source Line 和 Bit Line 的數量，在寸土寸金的晶圓上，容納更多的儲存元件。缺點則是讀資料時，一次只能讀取一個元件，不能整條一起讀，以及欲充電時，必須將整條 NAND Flash 單元一起充電。
當我們將多條 NAND Flash 單元擺放在一起，如下圖。便會形成一片 Flash。Page、Block 在硬件中大致是依此方法分配。
上面介紹的 NAND Flash 被歸類在 SLC（Single Level Cell）中，SLC 是指在一個 NAND Flash 單元中，只儲存一單位的資料，也就是 0 或 1。然而，制程演進的速度跟不上使用者對大容量 Flash memory 的需求。
因此，制造商便想到可以在單一 Flash 單元中，依據電子存放的多寡來分成4個等級。每一個等級代表一種資訊排列，分別為 00、01、10、11。如此，便可在既有的技術下，提供兩倍的儲存容量。采用這種技術的 NAND Flash 便被稱為 MLC（Multi-Level Cell）。
然而，因為 MLC 是將原本元件再多分2級，導致在電子數量的判斷上，將更加嚴格，讓 MLC 對錯誤的容忍度比 SLC 低，壽命也較短。至于現在逐漸在市場出現的 TLC（Triple-Level Cell），則是在一個 Flash 單元中分成 8 個等級，分別為 000、001、010、011、100、101、110、111。可想而知，TLC 的壽命必定小于 MLC。
NAND Flash 會有壽命是因為在寫資料的時候，需要施加較高的電壓，將電子強行躍過絕緣體，以進入浮閘，或離開浮閘。每次執行這個步驟時，都會對絕緣體層造成傷害。漸漸的，絕緣體層將失去隔絕電子的能力，使浮閘無法再保存資料。
此外，大多數的使用者會頻繁的使用部分程序，電腦在讀寫資料的時候將無法平均的讀寫整片內存，而是頻繁的使用特定幾塊（block）。為了避免特定 幾塊被迅速的使用而導致內存容量下降，制造商會再加上控制器，以變換定址的方式，平衡每一塊的使用次數，讓 NAND Flash 有更長的壽命。
因為有控制器在監控內存的使用情形，目前已經不需要太擔心 NAND Flash 的壽命，只要硬盤不要裝滿資料，留有部分的空間做平衡讀寫，基本上再換新電腦前，硬盤都不會有壞掉的問題。
在考慮傳輸速度以及單位儲存空間的價錢。現在以 NAND Flash 為核心的 SSD 逐漸成為主流，開始侵蝕傳統硬盤的市場，稱 NAND Flash 為現行儲存界的王者，相當合適。
