顾名思义,晶圆由纯矽(Si)构成。是半导体组件“晶片”或“芯片”的基材,从沙子里面高温拉伸生长出来的高纯度硅晶体柱(Crystal Ingot)上切下来的圆形薄片称为“晶圆”。采用精密“光罩”通过感光制程得到所需的“光阻”,再对硅材进行精密的蚀刻凹槽,继续以金属真空蒸着制程,于是在各自独立的“晶粒”(Die)上完成其各种微型组件及微细线路。对晶圆背面则还需另行蒸着上黄金层,以做为晶粒固着(Die Attach) 于脚架上的用途。晶圆一般分为6英寸、8英寸、12英寸规格不等,晶片就是基于这个wafer上生产出来的。Wafer上的一个小块,就是一个晶片晶圆体,学名die,封装后就成为一个颗粒。一片载有Nand Flash晶圆的wafer,wafer首先经过切割,然后测试,将完好的、稳定的、足容量的die取下,封装形成日常所见的Nand Flash芯片。那么,在wafer上剩余的,要不就是不稳定,要不就是部分损坏所以不足容量,要不就是完全损坏。原厂考虑到质量保证,会将这种die宣布死亡,严格定义为废品全部报废处理。
品质合格的die切割下去后,原来的晶圆就成了下图的样子,就是挑剩下的Downgrade FlashWafer。这些残余的die,其实是品质不合格的晶圆。被抠走的部分,也就是黑色的部分,是合格的die,会被原厂封装制作为成品NAND颗粒,而不合格的部分,也就是图中留下的部分则当做废品处理掉。
说了这么多,各位读者应该对晶圆的制造过程有了一定了解,也就是说,晶圆生产出来后,合格的die被工厂留下继续封装成颗粒,不合格的die单元成为残次品被抛弃不用。这一留一抛,就分别成为了“原片”与“黑片”。由此我们立刻就能知道,原片是价格较高的产品,而黑片因为被当做垃圾,价格非常低,是按照吨计算的。
那么“白片”又是什么呢?
其实白片就是封装后的原片中再检测到有瑕疵的颗粒,然后淘汰下来的垃圾。正品的NAND中是不能有白片的。但晶圆厂为了回收一部分制造成本,也会将未打标的颗粒白片卖给下游渠道,然后这些渠道再将白片上打上其他标识卖出。所以说,黑片与白片其实都是芯片制造过程中产生的边角料,黑片是在原料阶段就被淘汰的部分,白片则是成品后再检测不合格的瑕疵品。我们都知道,边角料也有利用价值,那么这里面就有了一个产业链,也就是晶片行业的废品回收再利用。黑片中仍有部分可用,会以晶圆的形式流出到下游封装厂,因为原厂不会封装有问题的die。这些有问题的die经过下游封装厂测试、筛选,还能再利用的部分就可以留下封装出售了。黑片不是原厂封装的,是下游厂商自己封装,所以外观看起来就很粗糙,而且往往不打标。很多廉价的MP3、U盘,即采用黑片制作而成。
白片是封装后再淘汰下来的颗粒,所以只有颗粒形式,而且是原厂封装,与原片的唯一区别就是没打标。这些白片也会在下游厂商经过测试、筛选后出售。
从质量上说,黑片NAND是很糟糕的,因为原厂就已经给其判了死刑,只是下游厂将其缩减容量后卖出,也就是阉割,但质量还是很差,购买这种颗粒也等同于赌博。白片NAND的品质还是有一定保证,再经过筛选,那么在性能与寿命的指标就比较接近原片了。由于黑片NAND的可靠性非常差,即使山寨SSD也不会采用,他们会选择更有保障的白片NAND,虽然售出的SSD返修率偏高,但凭借价格优势,山寨SSD仍然有一定销量。
作为SSD主要元件的NAND闪存,我们经常见到的有SLC、MLC、TLC三种:SLC
SLC全称single-level cell,即单阶存储单元;MLC全称Multi-level cell,即多阶存储单元。因NAND闪存是一种电压元件,因此它以不同的电压范围来代表不同的数据,原理如下面图片所示:
SLC就是在NAND闪存的每个存储单元里存储1bit的数据,存储的数据代表”0”还是”1”是由基于Vth电压阈值来判定,对于 NAND闪存的写入(编程),就是对其充电,使得它的电压超过上图的电压判定点A,存储单元就表示0-已编程,如果没有充电或者电压阈值低于那个A点,就表示1-已擦除。MLC
MLC则是每个存储单元里存储2bit的数据,存储的数据是”00”,”01”,”10”,”11”也是基于电压阈值的判定,当电压没到判定点B时,就代表”11”,当电压在B和C之间,则代表“10”,电压在C和D之间,则表示”01”,而电压达到D以上,则表示”00”。
SLC与MLC的区别
由上面的图片可以看到,MLC相比SLC电压之间的阈值被分成了4份,这样肯定会直接影响性能和稳定性,相对来说,主要受影响的有以下四点:1.相邻的存储单元间会互相干扰,造成电压不稳定而出现bit错误,MLC由于阈值相比SLC更接近,所以出错几率会更大。2.MLC读写性能降低,写入更达到50%的差距以上,因为需要更精确的充电处理。SLC只有”0”和”1”,,而MLC会有“00”,“01“,”10”,”11” 4个状态,在充电后还要去判断处于哪个状态,速度自然就慢了。3.如上所说,因为有额外的读写压力,所以功耗明显增大。4.同样因为有额外的读写压力,造成闪存的写入耐久度和数据保存期都受到影响。5.SLC的擦除次数为60000-100000之间;MLC的擦除次数为3000-5000之间。TLC
TLC = Triple-Level Cell,即3bit/cell,它的寿命短,速度慢,约500-5000次擦写寿命。TLC的架构已批量应用于闪存芯片上,这种架构与MLC采用近似原理,只不过MLC是1个单元2个bit,而TLC则是1个单元3个bit。TLC 的寿命500次是第一代工艺不成熟的时候,第二代第三代早就超过这个数字,目前hynix的TLC官方pdf标称寿命2500-5000次,东芝的更高。
3D-TLC基于SATA的存储容量可高达4TB以上,PCIe Gen4 x4的16TB容量产品正在开发中,并具有许多优点,如受控BOM、AES 256位加密、电源寿命以及一些客制化的功能,如电源和固件设置。3D-TLC承诺了更高的容量、更低的功耗、更快的性能和更好的续航能力,并且在一定程度上,它已经在各个方面实现了。对于工业应用来说,它的速度和耐久性永远无法超过SLC,但与MLC和pSLC相比,其价格和性能是不容忽视的,在价格上占了优势,比MLC更便宜,不过寿命/速度则更差于MLC,而且TLC通常是和高制程同时出现的,导致目前一些采用TLC的U盘速度惨不忍睹,寿命更是没底(有人说只能达到1000多次)。