同芯不同命 谁在影响NAND闪存的性能

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閃存自身的迭代

在半导体存储器领域，“NAND”是NAND Flash Memor y的简称，所以它在国内通常会被翻译成“快闪存储器”，也就是所谓的“闪存”（图2）。闪存是一种非易失性存储器（Non-Volatile Memory，NVM），断电后它所存储的数据不会消失。我们熟悉的内存（DR AM、SR AM）则是一种易失性存储器（VolatileMemory，VM），断电后所存储的数据会消失。

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如果你对闪存的架构和3D堆叠技术感兴趣，可以参考本刊2021年第14期《大势所趋 QLC闪存是否值得重用》这篇文章。

闪存自身也是在不断迭代进化的，2021年主流闪存的性能肯定要比几年前的闪存强很多。影响闪存自身性能的因素有很多，比如制程工艺、闪存架构、3D堆叠技术等。其中，闪存架构即我们熟悉的SLC、MLC、TLC和QLC，目前中高端闪存均以TLC为主，而QLC虽然性能有所降低但凭借成本优势正在逐渐蚕食T LC闪存的市场。制程工艺和3D堆叠技术相辅相成，最新工艺+96层或144层的3D NAND技术可以将1TB容量封装进一颗NAND闪存芯片里（图3）。

需要注意的是，存储卡、手机和SSD固态硬盘内置闪存芯片的封装标准各不相同，比如SSD内的闪存芯片表面积就已经和一些闪存盘的大小相当，存储卡内置的闪存芯片尺寸则更迷你。一般来说，同容量但封装尺寸更大（所以SSD性能先天占优）或单芯片容量越大（内部可组成类似双通道的工作模式）的闪存芯片具备更好的性能潜力，性能越好。

存储卡的速度之谜

存储卡包含Secure Digital Memory Card（SD）、MicroSD Card（又称TF）、Compact Flash（CF）、MemoryStick（MS）等诸多形态，但如今依旧流行的则只剩下了SD和MicroSD（TF），并逐渐衍生出了SDHC（SD2.0）、SDXC（SD3.0）和SDUC（SD7.0）标准。

虽然存储卡轻巧迷你，但它也算“五脏俱全”，除了裸露在外的金手指外，内部还同时封装了主控芯片和闪存芯片（图4）。不过，存储卡的主控只需要实现最基础的功能即可，并不像SSD硬盘那般需要针对闪存颗粒进行读写优化、写入策略优化等，所以尺寸和功耗极低，没什么存在感。

一款存储卡的性能，主要看它采用的S D规范标准以及总线接口。以通用性最好的MicroSD存储卡为例，目前市面上多以SDXC+UHS-I为主，读取速度普遍在100MB /s～170 MB /s之间（图5）。采用UHS-II或UHS-III总线标准的存储卡速度可以媲美SATA SSD，但它们的价格昂贵，而且采用了双排金手指（图6），兼容这类存储卡的设备也多以专业单反相机和摄像机为主。

SD7.x是最新的SD卡规范标准（表1），它们引入了PCIe总线和N V M e协议，读取速度理论可达9 8 5MB/s，目前威刚已经推出了符合该标准的Premier ExtremeSDXC SD Express存储卡（图7），但SD7.x存储卡的价格更是吓人，兼容这种存储卡的设备也是凤毛麟角。

总的来说，存储卡是NAND介质存储产品中速度（相对）最慢的，其性能更加依赖终端设备（如手机、相机、笔记本）身上的的读卡器以及控制芯片，而相关的OEM厂商并不愿意在这方面增加预算，所以哪怕存储卡已经有了超高速的SD7.x标准，但至今连UHS-II还未大规模普及，普通用户更是很难接触到。

闪存盘的高速之源

我们可以将闪存盘理解为“自带USB接口的存储卡”。只是，闪存盘的体型相对更大一些，其实际性能全看内置的闪存和主控芯片的规格，对终端设备没有太高要求（只要支持对应的US B3.xGen1/2标准的接口即可）。目前闪存盘的主控生产厂商主要以群联（Phison）、慧荣（SMI）、鑫创（SSS）、联阳（ITE）、安国（ALCOR）、银灿（Innostor）为主。闪存盘领域可要比存储卡复杂多了。从形态上，闪存盘包含Nano迷你型、单接口型、双接口型（同时配备USB-A和USBType-C）;从速度上，闪存盘还存在US B2.0、USB 3.0/ 3.1/3.2Ge n1（5Gbps）和USB3.1/3.2Gen2（10Gbps）。

128GB/256GB版速度才能达到400MB/s，64GB版会降至300MB/s

Nano迷你型的闪存盘普遍采用了“黑胶体封装”（又称UDP黑胶体和PIP封装技术），所有零部件一次成型，闪存盘内部主体上没有一丝缝隙，也因此获得了不易损坏、可靠性高、防水、防震、防尘、防磁等优点（图8）。不过，这种结构的闪存盘性能普遍一般（速度多在200MB/s以内），最大的优势就是小巧便携不占空间。但凡事都有例外，三星FIT升级版+虽然也是Nano迷你型，但速度依旧可达400MB/s，应该是三星解决了高性能主控的小型化封装技术，代价则是成本更高（图9）。

更高速度的闪存盘普遍采用闪存和主控芯片分离的设计，部分型号可以实现超过400MB/s的读取速度，主要是因为它们内部是由SSD主控芯片+闪存芯片+USB桥接芯片组成，所以还被不少网友誉为“固态闪存盘”（USSD）。以闪迪CZ880为例，这款高端闪存盘就采用了祥硕科技ASMedia ASM1153E SATA3（6Gbps）To USB 3.1Gen1（5Gbps）的转接芯片（图10）。

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需要注意的是，高端闪存盘未来的发展趋势是摒弃了过去的桥接设计，直接集成更高性能的单主控芯片。比如金士顿DataTravelerMax就内置慧荣SM2320主控，在单芯片（不算闪存）的基础上就支持USB3.2 Gen2标准，实际传输速率可达1000MB/s（图11）。

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今年初，群联还发布了全球首个和最快的USB3. 2Gen2×2（20Gbps）闪存盘主控（PS2251-18），其连续读取速度高达1900MB/s，连续写入性能也能达到1700MB/s，堪比中端PCIe 3.0SSD。群联曾表示，PS2251-18主控无需桥接控制器，降低了成本，简化了PCBA设计。与基于桥接的USB外部S SD相比，能效提高了56%。

但是，这种超高速闪存盘也遇到了一些问题——为了解决高速度衍生的发热问题，体积不可能太小，而且价格较之同容量20 0MB/s级别的闪存盘至少翻了一番。更尴尬的是，目前连标配USB3.2 Gen2接口（10Gbps）的电脑还未普及，很多普通消费者哪怕咬牙购买也会“英雄无用武之地”。

总之，闪存盘是最通用的NAND介质存储产品，主控对其性能影响至关重要，上限极高，下限极低。需要注意的是，很多不知名品牌为了降低成本，會为闪存盘搭配“白片”甚至“黑片”闪存颗粒，对稳定性和寿命的影响很大。所以强烈建议大家优先挑选金士顿、三星、闪迪等一线品牌旗下的产品。

手机和SSD的进化之路

CFan在近年来曾报道过很多有关手机（详见2021年第11期《浅析手机内存和闪存的优化技术》）和SSD在存储方面的技术，所以本文我们就简单再梳理一遍。

手机存储芯片虽然都是闪存，却存在eMMC5.1（400MB/s左右）、UFS2.1/2.2（1000MB/s左右）和UFS3.0/3.1（2000MB/s左右）等标准，其中UFS3.x还能借助WriteTurbo虚拟技术进一步提升写入性能，以黑鲨4 Pro为代表的产品甚至还通过UFS3.1闪存+群联SSD芯片组建Raid 0阵列的形式（图12），获得了接近3000MB/s的读取速度。

SSD固态硬盘的性能主要受制于传输通道、协议和主控芯片。SATA、PCIe 3.0、PCIe 4.0的速度上限分别在550MB/s、3500MB/s 和7 0 00MB/s左右，也是所有NAND介质存储产品中最快的，通过硬盘盒（详见2021年第21期《高速存储全靠它 将闲置M.2 SSD打造成移动固态硬盘》），还能将它们打造成PSSD（移动固态硬盘），当做大号闪存盘使用，速度最高可达3000MB/s级别。

不过，也正是因为固态硬盘的主控不仅要考虑读写策略，还要对数据进行缓存机制、写入机制进行分配，以管理好众多的闪存芯片，所以主控芯片的封装尺寸很大，会占据PCB主板上的大量空间，充分印证了“越大越强”的真谛。

从很大程度上来看，都是闪存为主的存储设备，主控越（大）强性能越强，因此才会出现固态硬盘>闪存盘>存储卡的格局。手机存储芯片则比较特殊，庞大的市场、出货量和利润，让上下游企业有动力不断进行技术升级，获得超越最强闪存盘的读写水平。

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