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SSD固态硬盘核心組件介紹

Read :  【345】 Time :  【2015-08-01】

NAND Flash是SSD核心组件,占SSD总成本的70-80%

我们首先了解一下SSD的结构。SSD主要由存储芯片(NAND Flash)、控制芯片(Controller)构成。存储芯片NAND Flash是数据存储的载体,占用SSD PCB板大部分空间,是SSD的核心组件,大约占SSD总成本的70-80%。SSD容量由NAND Flash决定,读写速度快、低功耗、抗震等特点也是基于NAND Flash特性。

NAND Flash有擦写寿命,如果擦写次数达到上限,NAND Flash就不能再进行写入操作,所以SSD需要耗损均衡(Wear Leveling),一般是由一颗控制芯片管理。控制芯片通过若干个通道(channel)并行管理多个NAND Flash,因此NAND Flash和控制芯片共同影响SSD的使用寿命和读写性能。

SSD组件简图


2.NAND Flash优劣决定SSD品质,原厂logo是关键

NAND Flash作为SSD最重要的部分,其制造厂商主要是三星(Samsung)、东芝(Toshiba)/闪迪(SanDisk)、美光(Micron)、SK海力士(SK Hynix)5家大厂,原厂生产出来的Wafer按照品质差异、封装测试形成市面上所谓的原装片、自封品牌、白片、黑片等代名词。

NAND Flash WaferDowngrade Wafer



 Downgrade Wafer 实物图


白片和黑片没有LOGO原装片印有原厂LOGO

OEM客户 自封品牌

简单来讲,原装片是通过原厂严格检测印上原厂logo的封装片,自封品牌是获得原厂Flash Wafer产能,按照自己产品标准和原厂提供测试标准进行封装测试的产品。白片是原厂销售Wafer给客户,由客户自行封装测试后印上无logo产品,黑片(Ink Die)是Wafer里达不到spec标准的不良品,往往三星在Wafer进行CP测试的时候将Ink Die 激光打死,而其它原厂东芝、闪迪、SK海力士、美光将其利用,直接销售到市场。由此可以判断NAND Flash品质是原装片>自封品牌>白片>黑片。SSD品质参差不齐,以致价格相差较大,也是因为原装片、自封品牌、原厂次品质品牌、白片、黑片NAND Flash所致。

区分原装片、自封品牌、原厂次品质品牌、白片、黑片首先要了解芯片的生产流程,Wafer制作出来后,进入Wafer切片测试阶段,会将Flash Die分为合格和不合格,原厂将测试合格的Flash Die进行封装,不合格的Downgrade Wafer是一些残留的边角料,原厂会做报废处理,也有很多以蓝膜Wafer的形式流到下游封装厂进行加工、回收利用,被称为黑片Ink Die,最后被一些小型厂商用于廉价的捆绑SD卡和U盘等产品中。由于品质、性能低劣,一般不会用在SSD、eMMC等产品上,但也会有少数厂商以黑片生产SSD产品销售到市场获取暴利。

合格的Flash Die原厂封装工厂会根据需要封装成eMMC、TSOP、BGA、LGA等产品,但封装的时候也有不良,或者性能不达标,这些Flash颗粒会再次被过滤掉,或者流到下游厂商,下游厂商再经过筛选,将Flash颗粒印上非原厂logo后出售,另外原厂将消费类等级的Flash Wafer销售给卡类模组厂,这些厂没有测试技术直接让封装厂按照Mapping选Good die封装颗粒后直接SMT做SSD产品,这类的Flash颗粒俗称白片。

最后,原厂封装并测试合格的Flash颗粒印上原厂logo或者Flash Wafer材料卖给原厂OEM客户,由客户自行封装成自有品牌,这是品质最好,稳定性高的Flash颗粒,在选择的时候要认准原厂logo和原厂OEM客户自封品牌logo。主要自封品牌logo是这些:三星的OEM客户:创见(Transcend)、江波龙FORESEE;东芝的OEM客户:金士顿(Kingston)、建兴(Lite ON)、群联(PHISON)。美光主要OEM客户是:金士顿(Kingston)、江波龙 FORESEE、创见(Transcend)。SK海力士没有SSD品牌的OEM客户,其他非原厂策略OEM客户购买Flash Wafer封装成自有品牌logo,品质和供应得不到保证。

除了通过原厂logo判别产品优劣外,还可以通过NAND Flash编号识别。比如,美光全资子公司SpecTek的NAND Flash颗粒编号,Grade and product Definition编码被分为很多等级,比如:-AL:通过严格测试、-AF:通过测试、-S2:第一次没有通过测试等。SpecTek业务模式是将美光所有Ink Die和低品质颗粒回收并测试分类销售到市场,市场客户不是按照物尽其用方式来使用SpecTek颗粒,而是低品高用在SSD上,导致大量用户投诉SSD不良,主要是因为使用SpecTek Flash导致。





图片来源: SpecTek官网

SK海力士也在效仿美光次品质SpecTek模式,成立一家名为ESSENCORE的公司,处理销售SK海力士次品质的存储产品(比如:Ink Die、OEM不良品)。

1122代表2011年22周出厂

还有一些厂商从市场上收购拆机NAND Flash颗粒来生产SSD,其实很好识别,一般NAND Flash芯片上会印上生产日期,如果距离生产日期太久,说明是拆机NAND Flash。

列举6家SSD的NAND Flash选料


1、三星 850 Pro SSD,三星原装片Flash



2、金胜(Kingshare)K300 SSD,三星原装片Flash

3、金士顿SSDNow V300 SSD,自封品牌Flash
4、影驰GAMER SSD,白片Flash

5、OCZ SSD,SpecTek Flash

6、金速F9 SSD,SpecTek Flash

3.获悉NAND Flash制造工艺、容量等信息方法

1. 中国闪存市场网SSD产品频道

中国闪存市场网会发布一些各厂商SSD产品信息,比如:制程工艺、NAND Flash架构,以及容量、速度、接口等信息。同时,也会公布一些测试不良的SSD评测报告,意在打造一个健康的SSD成长空间,中国闪存市场网会建立SSD好性能、好口碑、好品质计划。




»点击进入SSD产品列表

» 进入SSD产品评测列表

2. Flash编号信息查询

我们提供Flash编号查询功能,目前支持三星、东芝、美光、英特尔、SK海力士、SpecTek这些厂商。比如:MT29F128G08CECDBJ4,品牌:美光,类型:NAND Flash,单颗NAND Flash容量:128Gb,NAND Flash:MLC。您还可以通过本站技术指导中的文档获取更多厂商Flash编码信息。




» Flash编号查询地址

» Flash编号信息文档

4.控制芯片改善NAND Flash擦写次数,提高SSD使用寿命

随着原厂制造工艺不断的发展,NAND Flash生产成本下滑,擦写寿命降低,要求控制芯片的ECC纠错能力也就越高。NAND Flash最初SLC擦写寿命可达10万次,仅需使用1-4bit ECC,20nm工艺MLC擦写寿命降低到3000--10000次,所需的ECC提高到16-40bit,到TLC擦写寿命仅500--1000次,需72bit甚至更高的ECC。NAND Flash在SLC时期,控制芯片只需要采用纠错能力不强的汉明码算法,MLC需要纠错能力更高的BCH码,TLC或3D纠错技术开始由BCH向低密度奇偶校验码LDPC过渡来强化使用寿命。

SLC、MLC、TLC、3D NAND Flash发展趋势

来源: 中国闪存市场网
SLC、MLC、TLC NAND Flash比较
来源: 中国闪存市场网



三星是最先将TLC导入SSD的厂商,三星研发的3核Cortex-R4 MDX控制芯片强化了可靠性和纠错能力,使840系列具有3年的使用寿命。继三星之后,SandForce 3700系列以及Marvell 88SS1074、88SS1093、88NV1140、88NV1120控制芯片,均利用低密度奇偶校验码(LDPC)技术来提高TLC的可靠性和耐用性。

台系控制芯片厂慧荣也发布了支持TLC的SM2256控制芯片,独有的NANDXtend解错修正技术,有效运用低密度奇偶校验码(LDPC)和RAID修正技术,增加数据读写保护能力,提升TLC的使用寿命,群联PS3110控制芯片同样支持TLC,慧荣只提供控制芯片或解决方案给客户,群联可自主生产SSD成品并销售到市场上。

控制芯片厂最新产品一览表



来源: 中国闪存市场网

5.接口标准定义最大传输带宽,影响SSD传输速度

SSD最为常见的接口是SATA,其接口速度有SATAII(300MB/s)和SATAIII(600MB/s),相比SATA接口,PCIe接口传输速度更高,PCIe Gen2 x1传输速率为500MB/s,PCIe Gen2 x2速度可达到1GB/s,最多可以支持到PCIe x4。随着PCIe规范标准的升级,PCIe Gen3 x1传输速度也可达到1GB/s,扩展速度会更高。SSD接口规范定义了最大传输带宽,将直接影响到SSD传输速度,而接口标准需要控制芯片的支持才能发挥最大传输性能。

SSD接口最高传输带宽比较



SSD SATA在控制芯片厂SandForce SF-2281和Marvell 88SS9187/88SS9174,以及慧荣SM2246EN和群联PS3109推动下,SATAIII接口得以快速普及,SSD PCIe因为售价较高以及PC主机接口普及迟缓,主要用于企业、工作站服务器市场。2014年Marvell新推出的控制芯片加大对PCIe接口的支持,同时英特尔最新Skylake平台CPU芯片也增加了原生PCIe NVMe通道,开始推动SSD接口由SATAIII向PCIe过渡,预计2015年底将有SSD厂商推出SATAIII一样销售价格的PCIe SSD,有利于加速PCle SSD市场普及。

客户端SSD接口变化趋势


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