[轉貼] 避開誤解全面對比MLC和SLC架構
@ 2007-7-4 04:43 PMObserver: 挺不錯的文章，不過我無法確定他的說法是否都是正確的。
避開誤解全面對比MLC和SLC架構
*避開誤解全面對比MLC和SLC架構*
來源：iMP3.net 作者：vcii 發佈日期：2007.02.01 17:29
網站：iMP3.net數碼影音專業站 <http://www.imp3.net/>
地址：http://www.imp3.net/article/article.php?articleid=11754
*認識NAND Flash三大架構*
目前業內最具爭議的話題莫過於NAND快閃記憶體的兩大架構MLC和SLC了，這兩種架構
最大的區別是存取技術不同，由此也帶來了製造成本、工藝要求、輔助電路、存取
次數上的迥異。從短期發展來看，SLC架構在使用上優勢較為明顯，也因此成為了
部分廠商炫耀產品的資本。然而MLC架構具有成本低廉、單片容量較SLC成倍增大等
優勢，長遠來看勢必會成為NAND快閃記憶體的下一代主流架構。現在購買隨身_*數碼影音
*_
久的將來這種顧慮會完全消失，為什麼呢？且聽筆者慢慢分析。
NAND快閃記憶體可分為三大架構，分別是單層式儲存（Single Level Cell），即
SLC；多層式儲存（Multi Level Cell），即MLC；多位元式存儲（Multi Bit
Cell），即MBC。MLC是英代爾（INTEL）在1997年9月最先研發成功的，其原理是將
兩個位的資訊存入一個浮動柵（Floating Gate，快閃記憶體存儲單元中存放電荷的部
分），然後利用不同電位的電荷，透過記憶體儲存格的電壓控制精准讀寫。講白話點
就是一個Cell存放多個bit，現在常見的MLC架構快閃記憶體每Cell可存放2bit，容量是同
等SLC架構晶片的2倍，目前三星、東芝、海力士（Hynix）、IMFT(英代爾與美光合
資公司)、瑞薩（Renesas）都是此技術的使用者，而且這個隊伍還在不斷壯大，其
發展速度遠快於曾經的SLC架構。
SLC技術與EEPROM原理類似，只是在浮置閘極（Floating gate）與源極
（Source gate）之中的氧化薄膜更薄，其資料的寫入是透過對浮置閘極的電荷加
電壓，然後可以透過源極，即可將所儲存的電荷消除，採用這樣的方式便可儲存每
1個資訊位元，這種技術的單一位元方式能提供快速的程式編程與讀取，不過此技術受
限於低矽效率的問題，必須由較先進的流程強化技術才能向上提升SLC制程技術，
單片容量目前已經很難再有大的突破，似乎已經發展到了盡頭。
MBC是英飛淩（Infineon）與賽芬半導體（Saifun Semiconductors）合資利用
NROM技術共同開發的NAND架構，技術上的問題目前還沒有得到廣泛應用。網上相關
資料也非常有限，加之主題和篇幅關係，就不做深入探討了。
對MLC和SLC兩大架構現在網上存在一個普遍的認識誤解，那就是大家都認為
MLC架構的NAND快閃記憶體是劣品，只有SLC架構的NAND快閃記憶體才能在品質上有保障。殊不知
採用MLC架構的NAND快閃記憶體產品在2003年就已經投入市場使用，至今也沒有見哪位用
戶說自己曾經購買的大容量CF、SD卡有品質問題。可能你會說這是暫時的，日後肯
定出問題，那麼我們就先來回憶一下MLC的發展歷程以及SLC目前的發展狀況再來給
這個假設做定論吧。
MLC技術開始升溫應該說是從2003年2月東芝推出了第一款MLC架構NAND Flash
開始，當時作為NAND Flash的主導企業三星電子對此架構很是不屑，依舊我行我素
大力推行SLC架構。第二年也就是2004年4月東芝接續推出了採用MLC技術的4Gbit和
8Gbit NAND Flash，顯然這對於本來就以容量見長的NAND快閃記憶體更是如虎添翼。三星
電子長期以來一直宣導SLC架構，聲稱SLC優於MLC，但該公司於2004和2005年發表
的關於MLC技術的ISSCC論文卻初步顯示它的看法發生了轉變。三星在其網站上仍未
提供關於MLC快閃記憶體的任何行銷材料，但此時卻已經開發出了一款4Gbit的MLC NAND閃
存。該產品的裸片面積是156mm2，比東芝的90nm工藝MLC NAND快閃記憶體大了18mm2。兩
家主流NAND快閃記憶體廠商在MLC架構上的競爭就從這時開始正式打響了。除了這三星和
東芝這兩家外，現在擁有了英代爾MLC技術的IM科技公司更是在工藝和MLC上都希望
超越競爭對手，大有後來者居上的沖勁。MLC技術的競爭就這樣如火如荼地進行著。
另一方面我們再來看看SLC技術，存取原理上SLC架構是0和1兩個充電值，即每
Cell只能存取1bit資料，有點兒類似於開關電路，雖然簡單但卻非常穩定。如同電
腦的CPU部件一樣，要想在一定體積裏容納更多的電晶體數，就必須提高生產工藝
水準，減小單晶體管體積。目前SLC技術受限於低矽效率問題，要想大幅度提高制
程技術就必須採用更先進的流程強化技術，這就意味著廠商必須更換現有的生產設
備，投入大不說而且還是個無底洞。而MLC架構可以一次儲存4個以上的充電值，因
此擁有比較好的存儲密度，再加上可利用現有的生產設備來提高產品容量，廠商即
享有生產成本上的優勢同時產品良率又得到了保證，自然比SLC架構更受歡迎。
既然MLC架構技術上更加先進，同時又具備成本和良率等優勢，那為什麼遲遲
得不到用戶的認同呢。除了認識上的誤解外，MLC架構NAND Flash確實存在著讓使
用者難以容忍的缺點，但這都只是暫時的。為了讓大家能更直觀清楚地認識這兩種
架構的優缺點，我們來做一下技術參數上的對比。
首先是存取次數。MLC架構理論上只能承受約1萬次的資料寫入，而SLC架構可
承受約10萬次，是MLC的10倍。這其中也存在一個誤解，網上很多媒體都有寫MLC和
SLC知識普及的文章，筆者一一拜讀過，可以說內容不夠嚴謹，多數都是你抄我我
抄你，相互抄來抄去，連錯誤之處也都完全相同，對網友很不負責。就拿存取次數
來說吧，這個1萬次指的是資料寫入次數，而非資料寫入加讀取的總次數。數據讀
取次數的多寡對快閃記憶體壽命有一定影響，但絕非像寫入那樣嚴重，這個壽命值正隨著
MLC技術的不斷發展和完善而改變著。MLC技術並非一家廠商壟斷，像東芝
（Toshiba）已生產了好幾代MLC架構NAND快閃記憶體，包括前不久宣佈和美國SanDisk公
司共同開發的採用最先進56nm工藝的16Gb（2gigabyte）和8Gb（1gigabyte）MLC
NAND快閃記憶體，16Gb是單晶片的業內最大容量。
東芝在MLC快閃記憶體設計方面擁有經驗與技術，去年東芝利用90nm工藝與三星的
73nm產品競爭。東芝90nm MLC快閃記憶體的位元密度達29 Mbits/ mm2，超過了三星的73nm
快閃記憶體（位元密度為25.8 Mbits/mm2）。對於給定的存儲密度，東芝快閃記憶體的裸片面積也
比三星的要小。例如東芝的4-Gbit 90nm NAND裸片面積是138 mm2，而三星的4-
Gbit 73nm NAND裸片面積是156 mm2，這使東芝在成本方面更具競爭力。三星方面
現在正奮起直追，與東芝之間的競爭異常激烈。再加上IMFT、海力士等廠商的參
與，MLC技術發展勢頭迅猛，今天MLC NAND Flash寫壽命還只有1萬次，明天也許就
會是2萬次、3萬次甚至達到與SLC同等級別的10萬次，這是完全有可能的。
*全面對比分析MLC和SLC*
拿MLC NAND Flash的寫壽命我們一起來算筆帳，假如近期筆者購買了一款2GB
容量_*MP3*_
上只能承受約1萬次數據寫入。筆者是個瘋狂的音樂愛好者，每天都要更新一遍閃
存裏的歌曲檔，這樣下來一年要執行365次數據寫入，1萬次可夠折騰至少27年
的，去除7年零頭作為資料讀取對快閃記憶體壽命的損耗，這款MP3播放器如果其他部件不
出問題筆者就可以正常使用至少20年。20年對於一款電子產品有著怎樣的意義？就
算筆者戀舊，也不可能20年就用一款MP3播放器吧。況且就算是SLC架構，快閃記憶體裏的
資料保存期限最多也只有10年，1萬次的資料寫入壽命其實一點兒也不少。
其次是讀取和寫入速度。這裏仍存在認識上的誤解，所有快閃記憶體晶片讀取、寫入
或擦除數據都是在快閃記憶體控制晶片下完成的，快閃記憶體控制晶片的速度決定了快閃記憶體裏資料
的讀取、擦除或是重新寫入的速度。可能你會拿現成的例子來辯駁，為什麼在同樣
的控制晶片、同樣的週邊電路下SLC速度比MLC快。首先就MLC架構目前與之搭配的
控制技術來講這點筆者並不否認，但如果認清其中的原因你就不會再說SLC在速度
方面存在優勢了。SLC技術被開發的年頭遠早於MLC技術，與之相匹配的控制晶片技
術上已經非常成熟，筆者_*評測*_
能達到9664KB/s（ KISS KS900
<http://www.imp3.net/articles/4/2005_05/4046_6.html>），讀取速度最快能達
到13138KB/s（ mobiBLU DAH-1700
<http://www.imp3.net/articles/4/2005_06/4710_4.html>），而同樣在高速
USB2.0介面協定下寫入速度最慢的還不足1500KB/s，讀取速度最慢的也沒有超過
2000KB/s。都是SLC快閃記憶體晶片，都是高速USB2.0介面協定，為什麼差別會如此大。
筆者請教了一位業內資深設計師，得到的答案是快閃記憶體控制晶片效能低，且與快閃記憶體之
間的相容性不好，這類產品不僅速度慢而且在資料操作時出錯的概率也大。這個問
題在MLC快閃記憶體剛投入市場時同樣也困擾著MLC技術的發展，好在去年12月我們終於看
到了曙光。這就是擎泰科技（Skymedi Corporation）為我們帶來的新一代高速
USB2.0控制晶片SK6281及SD 2.0/MMC 4.2的combo快閃記憶卡控制晶片SK6621，在
MLC NAND快閃記憶體的支援與速度效能上皆有良好表現。其所支援的MLC晶片已經達到了
Class4的傳輸速度。
MLC NAND Flash自身技術的原因，只有控制晶片效能夠強時才能支持和彌補其
速度上的缺點，支援MLC制程的控制晶片需要較嚴格的標準，以充分發揮NAND快閃記憶體
晶片的性能。擎泰科技所推出的系列控制晶片經過長時間可靠性測試及針對不同裝
置相容性進行的比對較正，已能支持目前市場主流的MLC快閃記憶體，如英代爾
JS29F16G08CAMB1、JS29F08G08AAMB1，三星K9G4G08U0A、K9G8G08U0M、
K9LAG08U0M、K9HBG08U1M，東芝TC58NVG2D4CTG00、TC58NVG3D4CTG00、
TH58NVG4D4CTG00，美光（Micron）、海力士（Hynix）等等。此外，藉由良好的韌
體設計，可大幅提升性能，達到最高的存取速度，例如：SK6621支持MLC可到
Class4水準，其所支援SLC皆可支援到Class6的傳輸速度。SK6281還達到了Vista
ReadyBoost速度的需求（Enhanced for Windows ReadyBoost），且支援單顆MLC時
可達22MB/s的讀取速度及6MB/s的寫入速度，綜合下來並不比SLC慢多少。你手上的
MP3播放器USB傳輸速度慢並不全是因為快閃記憶體晶片採用了MLC架構，它與控制晶片的
關係要更加密切一些。
第三是功耗。SLC架構由於每Cell僅存放1bit資料，故只有高和低2種電平狀
態，使用1.8V的電壓就可以驅動。而MLC架構每Cell需要存放多個bit，即電平至少
要被分為4檔（存放2bit），所以需要有3.3V及以上的電壓才能驅動。最近傳來好
消息，英代爾新推出的65納米MLC寫入速度較以前產品提升了二倍，而工作電壓僅
為1.8V，並且憑藉低功耗和深層關機模式，其電池使用時間也得到了延長。
第四是出錯率。在一次讀寫中SLC只有0或1兩種狀態，這種技術能提供快速的
程式編程與讀取，簡單點說每Cell就像我們日常_*生活*_
的開關一樣，只有開和關兩種狀態，非常穩定，就算其中一個Cell損壞，對整體的
性能也不會有影響。在一次讀寫中MLC有四種狀態（以每Cell存取2bit為例），這
就意味著MLC存儲時要更精確地控制每個存儲單元的充電電壓，讀寫時就需要更長
的充電時間來保證資料的可靠性。它已經不再是簡單的開關電路，而是要控制四種
不同的狀態，這在產品的出錯率方面和穩定性方面有較大要求，而且一旦出現錯
誤，就會導致2倍及以上的資料損壞，所以MLC對製造工藝和控制晶片有著更高的要
求。目前一些MP3主控制晶片已經採用了硬體4bit ECC校驗，這樣就可以使MLC的出
錯率和對機器性能的影響減小到最低。
第五是製造成本。為什麼硬碟容量在成倍增大的同時生產成本卻能保持不變，
簡單點說就是在同樣面積的碟片上存儲更多的資料，也就是所謂的存儲密度增大
了。MLC技術與之非常類似，原來每Cell僅存放1bit資料，而現在每Cell能存放
2bit甚至更多資料，這些都是在存儲體體積不增大的前提下實現的，所以相同容量
大小的MLC NAND Flash製造成本要遠低於SLC NAND Flash。
綜上所述，MLC技術是今後NAND Flash的發展趨勢，就像CPU單核心、雙核心、
四核心一樣，MLC技術通過每Cell存儲更多的bit來實現容量上的成倍跨越，直至更
先進的架構問世。而SLC短期內仍然會是市場的佼佼者，但隨著MLC技術的不斷發展
和完善，SLC必將退出歷史的舞臺。
數碼．心理 <http://vc.imp3.net> vcii <http://vc.imp3.net> 發佈於2007-02-
05 09:30:12
QUOTE:
原帖由 /kasal/ 於 2007.02.03 13:09 發表
nod
就算連接電腦拷歌也不只一次寫入快閃記憶體，樓主的演算法很有問題，除以10差
不多，也就是說頻繁使用的話也就2年的壽命
即使採用ECC校驗,每bit最多也只寫入兩次.
歡迎兩位高手一起探討
數碼．心理 <http://vc.imp3.net> vcii <http://vc.imp3.net> 發佈於2007-02-
05 09:26:04
QUOTE:
原帖由 /jzyyq/ 於 2007.02.03 09:20 發表
你的計算使用時間的方法不對，不是只有向MP3裏拷貝資料的時候才對
NAND進行寫操作的。平時系統在運行的同時也會不斷的寫入。因為MP3硬
件系統不會有大量的sram作為buffer，有時候會頻繁的對nand進行讀寫操
作。
這就涉及另一個問題了，高端產品通常會單獨採用2MB~16MB快閃作為緩存使
用,減少對NAND Flash的讀取次數,平時運行資料都是在緩存裏進行處理的,就
像電腦的記憶體一樣.而有一些低端產品為了削減成本,加上主控晶片不含存儲空
間的關係,固件只能存在Flash裏,這樣的產品才會頻繁讀取和寫入資料.現在也
不斷有新技術誕生,以此來增加NAND Flash的使用壽命,當然這些新技術短期內
只會出現在高端產品上.
kasal發佈於2007-02-03 13:09:17
*回復 #6 jzyyq 的帖子*
nod
就算連接電腦拷歌也不只一次寫入快閃記憶體，樓主的演算法很有問題，除以10差不
多，也就是說頻繁使用的話也就2年的壽命
jzyyq發佈於2007-02-03 09:20:04
你的計算使用時間的方法不對，不是只有向MP3裏拷貝資料的時候才對NAND進
行寫操作的。平時系統在運行的同時也會不斷的寫入。因為MP3硬體系統不會
有大量的sram作為buffer，有時候會頻繁的對nand進行讀寫操作。
1 評論
其實Flash晶片的壽命並不是"寫入"的次數, 而是"清除"的次數.
Flash的資料寫入並不像RAM或是硬碟一樣直接覆寫, 而是像類似CDRW一樣要先歸零以後才能寫入.
發佈者 : wugen
@ 2007-7-5 08:10 AM
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