目前業(yè)內最具爭議的話題莫過于NAND閃存的兩大架構MLC和SLC了，這兩種架構最大的區(qū)別是存取技術不同，由此也帶來了制造成本、工藝要求、輔助電路、存取次數(shù)上的迥異。從短期發(fā)展來看，SLC架構在使用上優(yōu)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(yōu)勢，長遠來看勢必會成為NAND閃存的下一代主流架構。現(xiàn)在購買隨身數(shù)碼影音產品也許我們還在為閃存芯片采用了哪種架構而顧慮，但在不久的將來這種顧慮會完全消失，為什么呢？且聽筆者慢慢分析。
NAND閃存可分為三大架構，分別是單層式儲存（Single Level Cell），即SLC；多層式儲存（Multi Level Cell），即MLC；多位式存儲（Multi Bit Cell），即MBC。MLC是英特爾（INTEL）在1997年9月最先研發(fā)成功的，其原理是將兩個位的信息存入一個浮動柵（Floating Gate，閃存存儲單元中存放電荷的部分），然后利用不同電位的電荷，透過內存儲存格的電壓控制精準讀寫。講白話點就是一個Cell存放多個bit，現(xiàn)在常見的MLC架構閃存每Cell可存放2bit，容量是同等SLC架構芯片的2倍，目前三星、東芝、海力士（Hynix）、IMFT(英特爾與美光合資公司)、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(fā)展速度遠快于曾經(jīng)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，其數(shù)據(jù)的寫入是透過對浮置閘極的電荷加電壓，然后可以透過源極，即可將所儲存的電荷消除，采用這樣的方式便可儲存每1個信息位，這種技術的單一位方式能提供快速的程序編程與讀取，不過此技術受限于低硅效率的問題，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(jīng)很難再有大的突破，似乎已經(jīng)發(fā)展到了盡頭。
MBC是英飛凌（Infineon）與賽芬半導體（Saifun Semiconductors）合資利用NROM技術共同開發(fā)的NAND架構，技術上的問題目前還沒有得到廣泛應用。網(wǎng)上相關資料也非常有限，加之主題和篇幅關系，就不做深入探討了。
對MLC和SLC兩大架構現(xiàn)在網(wǎng)上存在一個普遍的認識誤區(qū)，那就是大家都認為MLC架構的NAND閃存是劣品，只有SLC架構的NAND閃存才能在質量上有保障。殊不知采用MLC架構的NAND閃存產品在2003年就已經(jīng)投入市場使用，至今也沒有見哪位用戶說自己曾經(jīng)購買的大容量CF、SD卡有質量問題。可能你會說這是暫時的，日后肯定出問題，那么我們就先來回憶一下MLC的發(fā)展歷程以及SLC目前的發(fā)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(yè)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(xù)推出了采用MLC技術的4Gbit和8Gbit NAND Flash，顯然這對于本來就以容量見長的NAND閃存更是如虎添翼。三星電子長期以來一直倡導SLC架構，聲稱SLC優(yōu)于MLC，但該公司于2004和2005年發(fā)表的關于MLC技術的ISSCC論文卻初步顯示它的看法發(fā)生了轉變。三星在其網(wǎng)站上仍未提供關于MLC閃存的任何營銷材料，但此時卻已經(jīng)開發(fā)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閃存大了18mm2。兩家主流NAND閃存廠商在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(xiàn)在擁有了英特爾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，大有后來者居上的沖勁。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數(shù)據(jù)，有點兒類似于開關電路，雖然簡單但卻非常穩(wěn)定。如同電腦的CPU部件一樣，要想在一定體積里容納更多的晶體管數(shù)，就必須提高生產工藝水平，減小單晶體管體積。目前SLC技術受限于低硅效率問題，要想大幅度提高制程技術就必須采用更先進的流程強化技術，這就意味著廠商必須更換現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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(yōu)勢，那為什么遲遲得不到用戶的認同呢。除了認識上的誤區(qū)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(yōu)缺點，我們來做一下技術參數(shù)上的對比。
首先是存取次數(shù)。MLC架構理論上只能承受約1萬次的數(shù)據(jù)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區(qū)，網(wǎng)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(shù)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(wǎng)友很不負責。就拿存取次數(shù)來說吧，這個1萬次指的是數(shù)據(jù)寫入次數(shù)，而非數(shù)據(jù)寫入加讀取的總次數(shù)。數(shù)據(jù)讀取次數(shù)的多寡對閃存壽命有一定影響，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(fā)展和完善而改變著。MLC技術并非一家廠商壟斷，像東芝（Toshiba）已生產了好幾代MLC架構NAND閃存，包括前不久宣布和美國SanDisk公司共同開發(fā)的采用最先進56nm工藝的16Gb（2gigabyte）和8Gb（1gigabyte）MLC NAND閃存，16Gb是單芯片的業(yè)內最大容量。
東芝在MLC閃存設計方面擁有經(jīng)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閃存的位密度達29 Mbits/ mm2，超過了三星的73nm閃存（位密度為25.8 Mbits/mm2）。對于給定的存儲密度，東芝閃存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(xiàn)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(fā)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。
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播放器，閃存是東芝產的MLC架構NAND Flash，理論上只能承受約1萬次數(shù)據(jù)寫入。筆者是個瘋狂的音樂愛好者，每天都要更新一遍閃存里的歌曲文件，這樣下來一年要執(zhí)行365次數(shù)據(jù)寫入，1萬次可夠折騰至少27年的，去除7年零頭作為數(shù)據(jù)讀取對閃存壽命的損耗，這款MP3播放器如果其它部件不出問題筆者就可以正常使用至少20年。20年對于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，閃存里的數(shù)據(jù)保存期限最多也只有10年，1萬次的數(shù)據(jù)寫入壽命其實一點兒也不少。
其次是讀取和寫入速度。這里仍存在認識上的誤區(qū)，所有閃存芯片讀取、寫入或擦除數(shù)據(jù)都是在閃存控制芯片下完成的，閃存控制芯片的速度決定了閃存里數(shù)據(jù)的讀取、擦除或是重新寫入的速度?？赡苣銜矛F(xiàn)成的例子來辯駁，為什么在同樣的控制芯片、同樣的外圍電路下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并不否認，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(yōu)勢了。SLC技術被開發(fā)的年頭遠早于MLC技術，與之相匹配的控制芯片技術上已經(jīng)非常成熟，筆者評測過的SLC產品數(shù)據(jù)寫入速度最快能達到9664KB/s（ KISS KS900），讀取速度最快能達到13138KB/s（ mobiBLU DAH-1700），而同樣在高速USB2.0接口協(xié)議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閃存芯片，都是高速USB2.0接口協(xié)議，為什么差別會如此大。筆者請教了一位業(yè)內資深設計師，得到的答案是閃存控制芯片效能低，且與閃存之間的兼容性不好，這類產品不僅速度慢而且在數(shù)據(jù)操作時出錯的概率也大。這個問題在MLC閃存剛投入市場時同樣也困擾著MLC技術的發(fā)展，好在去年12月我們終于看到了曙光。這就是擎泰科技（Skymedi Corporation）為我們帶來的新一代高速USB2.0控制芯片SK6281及SD 2.0/MMC 4.2的combo快閃記憶卡控制芯片SK6621，在MLC NAND閃存的支持與速度效能上皆有良好表現(xiàn)。其所支持的MLC芯片已經(jīng)達到了Class4的傳輸速度。
MLC NAND Flash自身技術的原因，只有控制芯片效能夠強時才能支持和彌補其速度上的缺點，支持MLC制程的控制芯片需要較嚴格的標準，以充分發(fā)揮NAND閃存芯片的性能。擎泰科技所推出的系列控制芯片經(jīng)過長時間可靠性測試及針對不同裝置兼容性進行的比對較正，已能支持目前市場主流的MLC閃存，如英特爾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，其所支持SLC皆可支持到Class6的傳輸速度。SK6281還達到了Vista ReadyBoost速度的需求（Enhanced for Windows ReadyBoost），且支持單顆MLC時可達22MB/s的讀取速度及6MB/s的寫入速度，綜合下來并不比SLC慢多少。你手上的MP3播放器USB傳輸速度慢并不全是因為閃存芯片采用了MLC架構，它與控制芯片的關系要更加密切一些。
第三是功耗。SLC架構由于每Cell僅存放1bit數(shù)據(jù)，故只有高和低2種電平狀態(tài)，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，英特爾新推出的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，并且憑借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(tài)，這種技術能提供快速的程序編程與讀取，簡單點說每Cell就像我們日常生活中使用的開關一樣，只有開和關兩種狀態(tài)，非常穩(wěn)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(tài)（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數(shù)據(jù)的可靠性。它已經(jīng)不再是簡單的開關電路，而是要控制四種不同的狀態(tài)，這在產品的出錯率方面和穩(wěn)定性方面有較大要求，而且一旦出現(xiàn)錯誤，就會導致2倍及以上的數(shù)據(jù)損壞，所以MLC對制造工藝和控制芯片有著更高的要求。目前一些MP3主控制芯片已經(jīng)采用了硬件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。
第五是制造成本。為什么硬盤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盤片上存儲更多的數(shù)據(jù)，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數(shù)據(jù)，而現(xiàn)在每Cell能存放2bit甚至更多數(shù)據(jù)，這些都是在存儲體體積不增大的前提下實現(xiàn)的，所以相同容量大小的MLC NAND Flash制造成本要遠低于SLC NAND Flash。
綜上所述，MLC技術是今后NAND Flash的發(fā)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(xiàn)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(fā)展和完善，SLC必將退出歷史的舞臺。
