三星3D NAND多利害?能用280年!

半導體技術正在進入立體堆疊時代,
CPU處理器、DRAM內存、GPU顯存、NAND閃存都先後開始向3D方向發展,
其中三星的3D V-NAND立體閃存已經進化到了第二代,
並在日前發佈了首款面向消費級市場的立體閃存固態硬盤850 Pro。

由於還是2.5吋的SATA 6Gbps規格,性能上已經沒有太大作為,
不過三星宣稱,V-NAND立體閃存在極大提升容量密度的同時,
使用壽命也大大增加,最高可達2D平面閃存的10倍,
但奇怪的是,850 Pro標稱的最大數據寫入量只有150TB,相當於840 Pro的兩倍而已。
真有這麼牛?AnandTech近日對此進行了專門的深入考察。

首先是和固態硬盤耐用性相關的幾個概念:

編程/擦寫循環(P/E Cycle)
閃存壽命的關鍵指標,耗盡之後就沒法用了,根據閃存顆粒、工藝不同而不同,
一般來說SLC>MLC>TLC、工藝越先進越少。


損耗均衡技術(WLC)
S.M.A.R.T.屬性中的一個參數,初始值100,隨著設備的使用而降低,最後變為0,
之後仍可繼續使用很長一段時間(JEDEC規定能在一年內保持數據),但可靠性無法保證。


寫入放大係數(WAF)
閃存寫入量與主控寫入量之比,越小越好。



【P/E次數計算】
為了計算850 Pro 3D閃存的P/E,向固態硬盤寫入隊列深度為1的128KB持續數據,
記錄每次測試後的S.M.A.R.T. WLC數值和寫入量,重複十幾次就能推算出總的P/E。



結果發現,經過60次P/E之後,WLC數值就會減少1,
因此總壽命是大約6000 P/E,相當於現在2D MLC閃存的大約兩倍。
那,10倍在哪裡?

1、三星撒謊了,根本沒有10倍。
2、三星在850 Pro上用的是質量較低的3D閃存,更高級的留給企業級產品。
3、三星故意限制了850 Pro的壽命,好讓企業用戶多花錢去買高級產品。

【數據寫入量計算】
不管是哪樣,現在可以計算出850 Pro的終身寫入量了:



假如每天主控寫入100GB,寫入放大係數為3x,
那麼即便是128GB型號也能用7年之久,而這種寫入已經大大超出普通用戶的日常操作。

如果是每天主控寫入20GB,寫入放大係數1.5x,1TB型號就能用280多年!

當然啦,150TB的限制只考慮了低放大係數的持續數據,
是一種理想情況,高放大係數的隨機數據堅持不了那麼多,
但是三星表示,設置這個門檻,只是為了不讓850 Pro用在寫入密集型的企業環境中而已,普通用戶根本不用擔心。

【寫入放大係數計算】
剛才是最好的局面,現在來看最差的,改用隊列深度32的4KB隨機數據進行反覆寫入
以128GB型號為例,此時的一個P/E相當於閃存寫入129GB。


實際得到的寫入放大係數約為11x,對如今的消費級固態硬盤來說屬於正常範圍,其實一般家庭用戶那裡基本都不會超過2x。


此時,128GB型號可最多寫入不到70TB,1TB的則能堅持550TB,相當於兩天多點一次全盤寫入。

【3D閃存有多大?】
850 Pro裡的3D V-NAND閃存是32層堆疊的,三星還展示了晶圓,
但並未披露顆粒的具體尺寸,而且由於堆疊都是在微米層面上,肉眼在晶圓上是看不到什麼不同的。
數了數發現,300毫米晶圓的垂直方向上有44個內核,那麼單個Die的高度大約是6.8毫米。
水平方向的寬度也可以這麼估算,或者測量單個內核的長寬比後計算。

PC Perspective提供了一張近照:


使用PS量尺工具測量了一下,可知寬度是高度的大約2.05倍,那就是14.0毫米,面積就是約95.4平方毫米



單顆容量86Gb(10.75GB很奇怪的設定),容量密度就是0.90Gb/mm2
比起第一代的133平方毫米、128Gb來說,
容量小了不少,面積也小了更多,密度略降,但都大大高於普通2D閃存。
至於為什麼第二代「縮水」了,大概是更小的內核良品率更高吧


【三星3D V-NAND閃存官方演示】
以下來自三星固態硬盤全球峰會官方演講,大家隨便看看。


2D平面到3D立體


就像是從平房到高樓


3D堆疊改變了閃存單元的基本結構


現在已經可以做到最多32層


單元之間互不干擾(這是新工藝的最大問題)


沿用現有的光刻技術


3D堆疊可讓單顆容量在三年後達到1Tb(128GB)


3D堆疊可讓電流降低46%(功耗和損耗更低)


3D VS. 2D


3D閃存的材料、架構、整合之變,醞釀十年了



850 Pro


第一款使用3D閃存的消費級固態硬盤


對比840 Pro:主控還是第五代的三核ARM Cortex-R4 MEX,但頻率提升至400MHz,緩存容量也翻番至最大1GB


7月21日上市,價格130-700美元


終身數據寫入量150TB,相當於每天40GB、可用十年


850 Pro


850 Pro各單元拆解

3星粒野用40nm, 幾層疊埋佢
我對佢壽命唔太擔心, 拎黎BT都好難話可以寫死佢

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