采用NAND Flash设计存储设备的挑战在哪里?

对于搞电子设计的工程师而言，NAND Flash是再熟悉不过的东西了。在电子设计的时候，NAND Flash通常作为大容量存储介质，可以类比为PC系统中的磁盘。在电子设计领域，对于小容量存储，还可以采用EEPROM之类的芯片；对于程序存储，可以选择NOR Flash。NOR Flash和NAND Flash之间的差别网上有过很多的讨论，在此不一一列数。

NAND Flash作为大容量存储，替代磁盘存储是从消费电子和军工领域开始的。消费电子领域追求小型化和便携，容量普遍较小，因此非常适合采用NAND Flash作为持久化存储介质。军工领域追求高可靠性，机械硬盘无法满足要求，因此只能采用NAND Flash替代机械硬盘。机械硬盘在企业级存储领域一直占据着主导地位，其最主要原因有如下几个方面：

1、容量大。自从巨磁阻效应被应用到磁盘之后，磁盘容量一直在不断增长，在不久的将来，4TB/6TB盘将会被大量使用。此外，磁盘容量还有增长空间，充氦磁盘亦可以在现有基础上增加盘片数量，从而提升单盘容量。

2、价格便宜。虽然磁盘容量在不断增加，但是单盘的价格没有提升。因此，每GB容量的价格在不断下降，磁盘在这几年还有很大的价格优势。

3、应用支持。基本上企业级的存储软件都是针对磁盘进行优化设计的，而这种软件又不能直接简单移植到NAND Flash存储上。

正因为上述几个原因，导致在企业级存储领域，磁盘一直处于领导地位，以NAND Flash为核心的存储盘无法撼动磁盘的地位。但是，从长远来看，NAND Flash有望替代磁盘，其最主要的原因是NAND Flash属于半导体存储，具有很好的性能优势。其容量的增长将符合摩尔定律。半导体工艺的进步，封装技术的进步都将促使NAND Flash单芯片容量不断快速增长。截止到2013年底，Samsung公司已经推出了V-NAND芯片，即将NAND Flash晶圆进行垂直3D封装，从而使得单芯片的NAND Flash容量成倍增长。目前，很多NAND Flash厂商已经可以提供单芯片128GB的Flash芯片。如此高的单芯片容量，很容易将2.5寸SSD做到TB级以上。半导体芯片的价格决定于产量，因此，一旦产量上去之后，NAND Flash芯片将可以做到非常廉价，因此，磁盘的价格在可见的未来不再具有优势。到那时，大容量的NAND Flash还不能替代机械磁盘吗？

答案当然是肯定可以替代机械磁盘。现在的问题是如何在NAND Flash基础上做好存储设备。基于NAND Flash设计存储系统的挑战到底在哪里？

要回答这个问题，其实就是要了解NAND Flash的内部结构和特征。首先来看一下NAND Flash的内部结构：

 

 

NAND Flash内部可以分成无数的Page页，这些Page页是读写的最小单元。多个连续的Page页构成一个Block，这些Block块是擦除的最小单元。在写一个Page页的时候，首先需要将这个Page页所在的Block擦除，否则无法对这个Page进行写入（编程）操作。对于NAND Flash而言，读操作最快，在20us左右；写操作慢于读操作，在200us左右；而擦除操作非常耗时，在1ms左右的数量级。因此，如果在写入数据的时候进行擦除操作，将会引入两大问题：第一，写性能受到擦除操作的影响变得很差；第二，由于擦除操作的基本单元是block块，因此，一个page页的写入操作将会引起整个块数据的迁移，这就是典型的写放大问题。更为严重的也是大家一直讨论和关心的寿命问题，NAND Flash内部的块是有擦写次数的，即每个块都有一定的寿命。通常SLC的NAND Flash有10万次的擦写寿命，MLC的Flash有1万次的寿命，而TLC的Flash只有几千次的擦除寿命。这些限制似乎使得NAND Flash看起来不可用，数据存在NAND Flash中是否可靠？综上归纳起来，NAND Flash主要有以下几个方面的问题：

1、不对称的性能。读的性能最好；写性能次之；擦除性能最差。

2、读写基本单元是Page页，而擦除基本单元是block块。

3、Block块内部只能采用顺序方式进行写入。

4、每次page页写的时候都需要进行擦除操作。

5、块擦除有寿命限制。

NAND Flash的问题的确很多，不像Memory一样可以在任意地址进行随意的读写操作，而且还有寿命问题。因此在采用NAND Flash设计存储设备时需要进行合理设计才能发挥Flash的优势，避免Flash的问题。例如，擦除操作比较耗时，那么可以采用虚拟化的技术，将擦除操作在后台完成，而不是在写入操作的时候进行擦除操作。Page页写操作时，需要首先进行块擦除操作，因此，不能对Flash进行in-place-update的操作，只能采用out-of-place的写方式。块擦除的寿命问题可以通过wear-leveling算法均衡所有块的寿命，从而使得整个存储系统的寿命不低于当前磁盘系统的寿命。写擦除操作可能会引起bit-error等问题，因此，可以采用多级编码、动态编码的方式增强数据可靠性。不管怎么样，虽然，NAND Flash存在很多问题，但是她的优势更加的迷人，因此，聪明的工程师一定能够想出很多方法克服问题，基于NAND Flash研制出性能卓越、可靠的存储系统。

NAND Flash凭借着性能优势、密度优势、能耗优势即将登上企业存储的舞台，您准备好了吗？