什么是 NAND 闪存？

“NAND”一词由“NOT”（非）和“AND”（与）组合而成，指代控制 NAND 存储单元内部结构的逻辑门。

除高存储密度和非易失性外，NAND 闪存还以快速的数据传输速度、耐用性和低功耗著称。这些特性使 NAND 闪存成为从智能手机到数码相机、游戏机和平板电脑等日常个人电子产品的主流存储方案。

在企业与工业层面，NAND 的应用实例包括数据中心、嵌入式汽车系统、医疗成像设备和电信基础设施。

受消费级及企业级应用对数据存储需求增长的驱动，NAND 闪存市场规模预计将从 2025 年的 557.3 亿美元增长至 2030 年的 726 亿美元。期间年复合增长率 (CAGR) 达 5.43%。¹这一增长主要由 AI 基础设施投资、消费电子设备中固态硬盘采用率的提高以及降低存储成本的三维芯片技术所推动。

NAND 闪存在企业级生成式 AI 的普及中也发挥着关键作用。生成式 AI 应用需要海量存储空间来容纳训练数据和内容（包括文本、图像和视频），这些数据存储在由 NAND 闪存芯片驱动的固态硬盘中。

与 DRAM（动态随机存取存储器）这类断电即丢失数据的易失性内存不同，NAND 是一种非易失性存储器，通过在其浮栅中捕获电荷来保留信息。

NAND 闪存依靠称为浮栅晶体管的特殊组件来存储数据。这些晶体管以串联模式排列，其功能类似于 NAND 逻辑门——一种通过“NOT”（非）和“AND”（与）运算处理二进制信号（1 和 0）的基础数字电路。

NAND 闪存的每个存储单元包含两个关键部分：控制栅和浮栅，两者由氧化层材料隔开。可将其想象为一个能捕获电荷的微型容器。

对 NAND 单元进行写入操作时，通过福勒-诺德海姆隧穿过程施加电荷。这将电子推入浮栅并被捕获，从而表示二进制数值。擦除数据时，只需释放单元中的电荷，使被捕获的电子逸出。

NAND 闪存的高效性源于其基于块的结构设计。NAND 不是逐位写入或擦除数据，而是以大块为单位处理信息。这使得它非常适合顺序操作和大规模存储。

NAND 闪存的优势包括：

• 非易失性存储：断电后仍能保留数据，可实现操作系统、应用程序和用户文件的持久化存储。

• 低延迟：为高性能、数据密集型应用加速数据访问速度。

• 高存储密度：在从微型 SD 卡到企业级 SSD 的紧凑外形中实现大容量存储。

• 高能效：较机械硬盘功耗更低，可延长电池续航并降低数据中心成本。

• 强耐用性：因无活动部件，比硬盘驱动器 (HDD) 更能抵御物理冲击和振动。

• 高可靠性：更低故障率与磨损均衡技术确保持久稳定的性能，支持网络弹性与业务连续性。

NAND 闪存的基础始于 1960 年 MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）的发展，这项技术使电子产品得以大规模微型化。

1967 年，贝尔实验室研究员 Dawon Kahng 和 Simon Min Sze 提出，MOSFET 的浮栅可被改造成可重复编程的只读存储器 (ROM)。

这一概念为可擦除存储技术构建了基础。到 1971 年，英特尔工程师 Dov Frohman 发明了可擦除可编程只读存储器 (EPROM)，该技术通过芯片上的透明窗口利用紫外线擦除数据。

接下来的进展出现在 20 世纪 70 年代末和 80 年代初的电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)。与 EPROM 不同，EEPROM 可通过电信号进行擦除。这项创新在便利性和功能性上实现了重大改进。

闪存技术在 20 世纪 80 年代通过东芝的舛冈富士雄博士的研究而诞生。“闪存”一词源自一位同事的观察，他发现数据从芯片上擦除的速度“快如相机闪光”。

在整个 2000 年代和 2010 年代，制造商通过在存储单元设计和制造技术上的创新，在 NAND 闪存的存储密度、性能和可靠性方面取得了重大进展。这些创新使 NAND 闪存从一种小众存储技术转变为现代数据存储的基石。

闪存分为两种类型：NOR 闪存和 NAND 闪存。

NAND 闪存采用“NOT AND”（非与）布尔逻辑门，其存储单元串联排列，优先考虑存储密度和顺序操作能力，满足大容量存储需求。

NOR 闪存则采用“NOT AND”（非与）布尔逻辑门，其闪存单元并联连接，允许快速读取和编程单个字节。这一特性使 NOR 闪存非常适合需要直接从内存运行代码的应用，例如固件、BIOS芯片和嵌入式系统。然而，NOR 闪存的写入和擦除速度较慢，存储密度较低，且每比特成本更高。

尽管 NOR 闪存在代码执行任务中仍具重要性，但 NAND 闪存已成为大多数应用场景中的主流存储技术。 

NAND 闪存类型根据单个存储单元可存储的比特数进行分类。每种类型具有不同的耐用性等级，以 P/E 周期（编程/擦除周期）衡量。

其中包括：

• SLC（单层单元）： SLC，即单层单元，每个单元存储 1 比特数据。虽然 SLC NAND 每千兆字节成本最高，但它提供了最佳的性能、可靠性和耐用性，擦写周期可达 10 万次。它被用于运行任务关键型工作负载的企业级环境。

• MLC（多层单元）： MLC，即多层单元，每个单元存储 2 比特数据。它在将存储密度较 SLC 提升一倍的同时降低了每千兆字节成本，但速度较慢。MLC 具有中端价位的经济性，被嵌入许多对耐用性要求相对较低的消费级 SSD 或专业工作站中。

• TLC（三层单元）： TLC，即三层单元，每个单元存储 3 比特数据。由于仅具备 3,000 次编程/擦除周期，其耐用性低于 SLC 和 MLC。但它以更低成本提供了更高的数据存储密度，常用于主流消费级 SSD 产品。 

• QLC（四层单元）： QLC，即四层单元，每个单元存储 4 比特数据。该规格在最大化存储容量的同时最小化每千兆字节成本，非常适合写入周期耐用性要求相对较低、侧重读取密集型的工作负载（例如流媒体、归档、大文件存储）。QLC 也高度依赖先进的纠错技术来维持数据完整性。

SLC，即单层单元，每个单元存储 1 比特数据。虽然 SLC NAND 每千兆字节成本最高，但它提供了最佳的性能、可靠性和耐用性，擦写周期可达 10 万次。它被用于运行任务关键型工作负载的企业级环境。

现代 SSD 采用 3D NAND 闪存，这是一种在硅晶圆上垂直堆叠多层存储单元的架构。与将存储单元平面排列的传统 2D NAND 相比，3D NAND 能在相同占用面积内容纳更多存储单元。这一功能优化了数据存储密度、容量以及每比特数据的整体成本，从而实现更多的存储单元。

据 S&S Insider 报告，3D NAND 闪存市场规模在 2023 年估值达 175.9 亿美元。预计到 2032 年将增长至 754.4 亿美元，2024 至 2032 年间的年复合增长率为 17.61%。²

3D NAND技术在人工智能 (AI) 时代的数据存储中扮演着关键角色。凭借比传统 NAND 解决方案快达 50% 的写入速度，采用 3D NAND 的 SSD 和全闪存阵列正被用作生成式 AI 的存储介质。这支持了在处理单元附近快速访问预训练模型和大型数据集。通过降低数据检索延迟，3D NAND 提升了 AI 与机器学习 (ML) 工作流程的性能。