NAND和NOR Flash 完全学习笔记（基础篇）

本文要点：1. NAND FLASH与NOR FLASH 的技术对比；2. 最详细的存储单元对比详解；3. NAND FLASH与NOR FLASH 的最新市场份额及应用；4. NAND FLASH与NOR FLASH 的基础原理分析。

目前，NOR FLASH和NAND FLASH是市场上主要的非易失性闪存技术，但是据我了解，还是有很多工程师分不清NAND FLASH与NOR FLASH。首先，来一个直观的图片。

然后，我从权威的网站上找到了最新的NAND FLASH收益以及市场份额表，根据最新的表单，我们可以知道谁是这个市场的老大，做的比较好一些，一方面让工程师时刻知道市场的动向，另一方面可以在之后的器件选型等方面提供重要的参考。

一般来说，快闪记忆体可分为两大规格，一个是NAND, 一个是NOR。简单来说，NAND一般以存储数据为主，晶片容量大，容量可以达到2Gb甚至更大，NAND的读取是以一次读取一块的形式来进行的，通常一次读取512个字节，采用这种技术的Flash比较廉价；NOR一般以存储程序代码为主，又称为Code Flash，所以可让微处理器直接读取，但晶片容量较低，主流容量512Mb，NOR采用内存的随机读取技术。如果利用闪存只是用来存储少量的代码，这是NOR Flash更合适一些。用户不能直接运行NAND Flash上的代码，因此很多使用NAND Flash的Demo Board除了使用NAND Flash以外，还加上一块小的NOR Flash来运行启动代码。通过下表我比较了几乎所有关于NAND FLASH以及NOR FLASH的全部重要特性。

然后，对于Flash三个重要概念的理解：

1. Flash属于非易失性存储设备，内部存储单元是MOSFET，里面有一个悬浮门(Floating Gate), 是存储数据的单元。与此对应的，易失性存储设备就是断电后，数据就丢失了，例如常用的内存，不论是之前的SDRAM，还是现在通用的DDR3以及DDR4，都是断电后，数据就没有了。

2. SLC和MLC的区别：NAND FLASH的内存单元可以分为两类，存储一位数据，也就是SLC(Single Level Cell); 对应的，存储多位数据的就是MLC(Multi Level Cell)，比如两位，或者四位。

3. 大多数的写入操作需要先进行擦除操作。

到此，对于NAND FLASH以及NOR FLASH 我们有了一个基本的认识。我对知识的学习一个重要的方法是对比，通过图表的对比更能看出各自的差异化，从而达到加深知识的效果，因此我做了下图来比较目前还算所有存储器的最小单元结构图，便于学习与理解。

原理分析 要说明此原理，需要一些基本的量子物理学，我认为以下这种论述是比较适合理解的，也很有趣：经典物理学认为，物体越过势垒，有一定的阈值能量；所以，粒子能量小于此阈值能量的不能越过，能量大于此阈值能量的可以越过。举例来说，我们骑自行车过坡道，如果先用力骑，因此有一定初入能量，坡道不高的话，即使不蹬自行车也可以依靠惯性过去；但是，如果坡道很高，不蹬自行车，可能车到了一半，可能就退回来了。而量子力学则认为，即便是粒子能量小于阈值能量，同时很多粒子冲向势垒，虽然也有一部分粒子会反弹，但是还会有一些粒子可以越过去，好像有一个隧道，因此称为量子隧道。

对比二者的差异发现，宏观上的确定性在微观上常常就具有不确定性。因为隧穿几率极小，因此通常情况下，隧道效应并不影响经典的宏观效应，但是某些特殊条件下也会出现。当微电子器件进一步微型化是必须要考虑量子效应。NAND FLASH的擦写均是基于隧道效应，电流穿过浮置栅极与硅基层之间的绝缘层，对浮置栅极进行充电（写数据）或放电（擦除数据）；另外，NOR FLASH擦除数据也是基于隧道效应（电流从浮置栅极到硅基层），但在写入数据时则是采用热电子注入方式（电流从浮置栅极到源极）。对于FLASH闪存单元来说，它是为三端器件，与场效应管有相同的名称：源极、漏极和栅极。栅极与硅衬底之间有二氧化硅绝缘层，用来保护浮置栅极中的电荷不会泄漏。采用这种结构，使得存储单元具有了电荷保持能力。举个栗子，就像是装进瓶子里的水，当你倒入水后，水位就一直保持在那里，除非你再次倒入或倒出，所以闪存具有记忆能力。

绝缘浮置栅极是NAND存储数据的核心

旧瓶装新酒：三星970EVO Plus全面换“芯”后性能实测

三星970EVO Plus，作为三星存储在PCIe3.0时代的旗舰机型，当年它的诞生，直接将固态硬盘的绝对性能提升至3500MB/s的新高度，也引发了新一轮关于固态硬盘性能潜力的深挖和探索。

随着PCIe4.0的全面普及，一代新人换旧人，970EVO Plus毫无疑问的被下放至主流市场，这本是正常的产品迭代，原以为三星970EVO Plus这个“旧瓶”不再可能在当下掀起波澜，可世事难料。

近日据公开消息，一代旗舰三星970EVO Plus，在毫无预警、价格不变的情况下，直接列装了全新制程工艺的主控芯片、闪存颗粒等核心控件，在这个“酒香也怕巷子深”的全媒体时代，三星970EVO Plus，这一波“旧瓶换新酒”的操作，究竟意欲何为？三星970EVO Plus的“新酒”性能又有多少提升？

今天，不玩虚的，直接进行新旧三星970EVO Plus的性能对比，看看这波操作是良心还是黑心？

01 新旧三星970EVO Plus外观对比

在性能评测之前，先来看看新版三星970EVO Plus都有哪些变化。

外观方面，从正面的标识来看，大体延续了三星970EVO Plus的设计风格，保持了该系列设计的一致性，只是在产品PN码、SN码以及生产日期方面有着一些细微差异，如果不是深入研究，一般消费者很难从正面辨别新旧之间的差异；

正面（上旧下新）

背面（上旧下新）

较为明显的差异存在于背面，新版三星970EVO Plus在其背面增加了三星存储的logo标识，而旧版是不存在，同时基于新版背面的新布局设计，其背面贴纸的各种认证和准入规格排序也存在一些差异，因而用户在购买之时，可以根据三星970EVO Plus背面的设计布局，轻松辨别新旧版本。

02 新旧三星970EVO Plus内核对比

内核部分则是此次更新的重点，此次三星970EVO Plus的“旧瓶装新酒”，是一次全面的核心器件升级。

新旧三星970EVO Plus内部对比

主控芯片方面，旧版三星970EVO Plus采用当年行业领先的14nm制程工艺，Phoenix主控芯片，该芯片最高支持32队列，8通道设计下，更是在当年创下3500MB/s的最大连续读取性能，

而新版三星970EVO Plus则是采用了应用于PCIe4.0新旗舰三星980PRO里的那颗“芯”——三星Elpis主控芯片，关于此款芯片，笔者在此前的三星980PRO中进行了深度解读，在此转述旧文。

Elpis源于希腊语，中文读音“厄尔庇斯”，中文直译则是“（希望）女神”，该主控采用三星自研的全新8nm制程工艺，全面支持PCIE4.0协议，同时能够满足下一代开发、计算等需求，新的Elpis主控支持128队列并行工作，支持128个I/O队列同步进行数据处理；

主控芯片存在差异（上为Phoenix 下为Elpis）

相较于上一代的Phoenix主控，队列数（32队列）提升了约400%，根据三星制程数据，单个队列下，包含了超过64000命令集，这也就意味着三星Elpis主控内部的128个队列，可以同步处理最高超过800万个命令。

闪存颗粒方面，旧版三星970EVO Plus同样是采用当年风靡行业的三星自研第五代V-NAND闪存颗粒，9x堆叠的TLC颗粒，在当年可谓是一骑绝尘，单颗存储容量达到512GB，在当时大部分厂商还停留64层堆叠，满足1TB存储容量需要4颗颗粒的时代，三星970EVO Plus仅分布了两颗闪存，即完成1TB存储容量的堆叠。

新旧三星970EVO Plus闪存对比

新版三星970EVO Plus的闪存颗粒，不仅在堆叠层数上实现了跨越，更是在闪存性能，延时表现等方面进行了突破。其内置了三星自研第六代V-NAND闪存颗粒，该闪存颗粒在制程工艺上，充分利用三星独创的“通道孔蚀刻”技术，通过建立一个由100多个层组成的导电晶片堆栈，然后从上到下垂直穿孔，形成均匀的三维电荷阱闪存（CTF）单元，从而实现了，在9x层单堆栈结构基础上增加了大约40%的存储单元。

此外，为了进一步克服更高堆叠带来的延迟和错乱风险，三星在闪存结构内部采用了速度优化的电路设计，实现了更快的响应，根据测试第六代V-NAND写入操作时间少于450微秒（μs），读取操作时间少于45μs。

相较于第五代V-NAND，在性能提高了10%以上，功耗也降低了15%以上。

从主控芯片和闪存颗粒的换新来看，新版三星970EVO Plus实属良心，熟悉三星产品的朋友，看到这里应该已然知晓了，新版三星970EVO Plus的内部用料，就是旗舰机型三星980PRO的同款，新旗舰的核心控件应用于旧旗舰机型，那么性能方面是否也会出现爆炸性增长呢？别急，下面将进行性能测试。

03 新旧三星970EVO Plus基准测试对比

此次对比测试，依旧将从用户较为关心的基准测试、实际测试、高阶测试三个大的维度进行综合论证。

先来看基准测试，该测试场景下，主要是通过一系列的基准测试软件，初步测试新旧三星970EVO Plus在连续性能、4K随机、缓外性能以及综合性能四个方向，进行基准评判。

连续性能方面，采用经典常用的CrystalDiskMark进行测试，该测试软件可以自定义不同队列深度，不同测试数据大小，快速直观的展现固态硬盘的连续性能.

左为旧版 右为新版

在连续性能测试上，可以看到在连续读取性能方面，受限于PCIe3.0协议的制约，即使是用上了更高带宽更大IO的Elpis主控，也很难突破理论上3500MB/s的绝对性能；但是在连续写入以及4K随机方面，右侧新版的三星970EVO Plus则有着明显优势，尤其是队列深度更大的Q32T16下，几乎实现了成倍的提升。

4K随机基准测试上，采用易于观察的AS SSD。

左为旧版 右为新版

在4K随机性能上，和CrystalDiskMark测试几乎保持一致，无论是4K总得分，还是在64队列下的4K单项测试下，拥有更高制程内置更多队列数的Elpis主控，展现了其性能优势，超过600K IOPS的最大4K随机读取，以及超过648K IOPS的最大4K随机写入，全方位领先旧版三星970EVO Plus。

缓存性能基准测试上，我们还是采用HD Tune Pro进行测试，该软件是一款老牌的测试软件，能够通过自定义的方式，全面衡量硬盘的各项性能。

旧版三星970EVO Plus

新版三星970EVO Plus

三星980PRO

在缓存测试中，可以看到随着核心控件的全面换新，新版三星970EVO Plus内置的智能TurboWrite机制也得到了更新和迭代，通过对比图可以看到旧版三星970EVO Plus在大概40GB左右开始出现小幅降速，而新版三星970EVO Plus则在115GB左右才呈现降速趋势。

联系此前三星980PRO的缓存设计，我们可以发现，新版三星970EVO Plus和三星980PRO内置的智能TurboWrite机制实际上是一致的，都属于第二代智能缓存，而新版缓存空间几乎是旧版的3倍多，能够让用户在更长的存储空间内，享受到固态硬盘的巅峰极致性能。

综合性能方面，采用新版PC Mark10专业版内置的完整系统盘测试，该测试能够模拟正常系统的运行场景，通过程序的内部计算，将磁盘在真实系统环境下的表现以数值的形式展现出来，有着相当的参考价值。

旧版三星970EVO Plus

新版三星970EVO Plus

在该测试下，有三个数值值得参考，总得分上，新版三星970EVO Plus得到了2247分，对比旧版三星970EVO Plus的1689分，接近700分的提升，展现了在综合的系统环境下新版三星970EVO Plus的性能优势，至于在硬盘带宽和平均存取时间维度上，新版三星970EVO Plus同样凭借着新主控和新颗粒在制程工艺和IO队列上的优势，取得了更好的成绩。

通过简单的连续测试、4K随机、缓存测试以及综合测试的基准对比，我们能够快速的一览新版三星970EVO Plus在列装了980PRO同款的核心控件后，在性能上的显著优势，这一波“旧瓶装新酒”，现阶段来看是良心的，是提升。

04 新旧三星970EVO Plus实际载入测试对比

下面，我们继续将从实际载入测试，以及测试更加复杂的高阶测试中，探寻新旧三星970EVO Plus的性能差异。

实际载入测试，顾名思义考验固态硬盘在实际应用场景下载入进程的快慢，这也是区别固态硬盘性能好坏的重要一环。

在该项测试中，我们采用《最终幻想》自带的游戏载入测试软件，分别安装在新旧三星970EVO Plus之中，并对比二者在载入时长上的差异。

旧三星970EVO Plus载入时长

新三星970EVO Plus载入时长

在载入时长方面，可以看到新旧三星970EVO Plus虽然都很快的实现了载入，可二者还是存在一定差异，虽然差异仅存在不到1秒钟，可毕竟只是同系列同协议下的新旧对比，再小的差异也能证明新版三星970EVO Plus在协议规格不变下，新核心组件带来的性能跃迁。

最后，我们将进行测试更为复杂和高阶的性能测试，从更深度的部分对比新旧970EVO Plus的性能差异性。

05 新旧三星970EVO Plus高阶测试对比

高阶测试中，将采用linux平台上最具权威和最好用的FIO进行针对性测试。我们将自定义数据块大小，从4KB一直到128KB，以及自定义队列深度和线程，从单线程到多线程，从单队列到多队列进行深度测试。

该脚本下的测试项目

该测试项目主要包含不同队列深度不同线程设计下的连续测试，4K性能测试。

连续读取带宽测试（左旧右新）

连续写入带宽测试（左旧右新）

在连续性能测试中，新旧三星970EVO Plus差距并不存在明显差异，基本都能达到连续读取3500MB/s，连续写入3200MB/s左右的峰值水准。

4K随机读取带宽测试（左旧右新）

4K随机写入带宽测试（左旧右新）

至于在4K随机测试中，在PCIe3.0固有带宽限制下，新版三星970EVO Plus在绝对IOPS方面还是有着相当优势，无论是在随机读取还是随机写入方面，这得益于更先进制程，能够支持更多IO处理更多并行任务的那一颗Elpis主控，以及具有更快响应速度的第六代V-NAND颗粒。

06 关于旧瓶装新酒的三星970EVO Plus

在连续几天的集中测试后，总算是把新旧三星970EVO Plus从核心控件到实际性能，完成了全面的对比。

回顾此次全面换“芯”事件，实际上这样的操作在行业内司空见惯，究其背后的原因，一方面是基于闪存颗粒、主控芯片等产品的更迭换代，使得此前的颗粒和主控没有了足够库存，被动的需要用新的核心控件进行替代；另一方面，则是为了维系经典型号，热销产品的市场知名度，主动的用新料替代旧物，延长热门型号的销售寿命。

然而，看似主动和被动之间，考验的不仅仅是商业策略，更是体现着厂商对于用户的诚心，和对于产品的负责。

同样是全面换“芯”，在价格大体不变的情况下，三星970EVO Plus得到了新旗舰级别的主控芯片、闪存颗粒，以及随之而来肉眼可见的性能提升，尤其是缓存空间一举提升了三倍多，却从未以此进行大规模宣发，而是让用户自然感受和体验到，这种不经意间的“良心”和“可靠”。

不得不说，作为行业领头羊的三星存储，在品牌调性和营销策略上，确实更显高级。

就在此文发稿之时，一年一度双.11大促正如火如荼进行中，如果对于个人电脑缺少一块PCIe3.0的SSD，全新升级的，拥有PCIe4.0旗舰级核心控件的三星970EVO Plus，或许是这个双.11，最具性价比的产品了。

(7798433)

相关问答

一起装修网问答平台为您提供南天竹花语有哪些?的相关答案,并为您推荐了关于南天竹花语有哪些?的相关问题,一起装修网问答平台:装修问题,因我而止。