- 基本原理：它们是如何存储数据的？
- 工作方式：如何读取和写入数据？
- 核心优缺点对比：性能、寿命、成本、密度等。
- 应用场景：它们分别用在什么地方？
- 未来展望：它们的发展趋势如何？
基本原理
NAND Flash (闪存)
- 核心思想：利用“浮栅晶体管”（Floating-Gate Transistor）中的电荷有无来表示二进制数据“0”和“1”。
- 物理结构：每个存储单元是一个晶体管，它有一个被绝缘氧化物层包围的“浮栅”，这个浮栅可以像一个小型电池一样捕获电子。
- 写入数据：通过“ Fowler-Nordheim 隧穿效应”或“热电子注入”，给浮栅注入电子。有电子代表“0”（或“1”，取决于定义）。
- 擦除数据：将电子从浮栅中“踢”出去。无电子代表“1”（或“0”）。
- 数据密度：NAND Flash 通过不断缩小单元尺寸来提高存储密度，主要分为：
- SLC (Single-Level Cell)：1个单元存1 bit (0/1)。
- MLC (Multi-Level Cell)：1个单元存2 bits (00/01/10/11)。
- TLC (Triple-Level Cell)：1个单元存3 bits。
- QLC (Quad-Level Cell)：1个单元存4 bits。
- PLC (Penta-Level Cell)：1个单元存5 bits (较新技术)。
- 趋势：从 SLC 到 PLC，存储密度越来越高，但速度、寿命和可靠性在下降。
相变存储器
- 核心思想：利用一种特殊材料（通常是锗锑碲合金，GST）在晶态和非晶态之间的电阻差异来存储数据。
- 物理结构：每个存储单元是一个“忆阻器”（Memristor），由相变材料构成，两端连接电极。
- 晶态：材料原子排列整齐，电阻低。
- 非晶态：材料原子排列混乱，电阻高。
- 数据写入：
- 置“0” (低阻态)：对材料施加一个短促而强烈的电流脉冲（熔化后快速冷却）,使其从晶态变为非晶态。
- 置“1” (高阻态)：对材料施加一个温和而持久的电流脉冲（缓慢加热后冷却）,使其从非晶态结晶为晶态。
- 数据读取：施加一个很小的探测电压，测量材料的电阻值，低阻读为“0”，高阻读为“1”。
工作方式对比
| 特性 | NAND Flash | 相变存储器 |
|---|---|---|
| 写入/擦除 | 先擦除后写入，擦除操作以“块”（Block，如128KB或256KB）为单位进行，且只能将“1”擦成“0”，写入操作以“页”（Page，如4KB或8KB）为单位，也只能将“0”写成“1”，这导致了复杂的读写流程和“写入放大”问题。 | 直接覆盖写入，可以直接将任意状态（高阻或低阻）切换到另一个状态，无需先擦除，操作非常简单，类似于内存。 |
| 读取 | 读取一个“页”的数据，速度相对较快。 | 读取一个“位”或一个“字节”的数据，速度极快，接近DRAM。 |
| 单元状态 | 多电平（MLC/TLC/QLC等），通过精确控制浮栅中的电荷数量来表示多位数据。 | 主要是二电平（高低阻），理论上也可以实现多电平（MPC），但技术难度和稳定性更高。 |
核心优缺点对比
| 特性 | NAND Flash | 相变存储器 |
|---|---|---|
| 优点 | 极高的存储密度：技术成熟，尺寸不断缩小，成本持续下降，是当前大容量存储的王者。 成本效益高：单位比特成本非常低。 市场主导：产业链极其完善，生态系统成熟。 |
极快的写入速度：无需擦除，直接覆盖，速度远超NAND，接近内存。 极高的写入耐久性：写入次数高达 10^12 ~ 10^15 次，比NAND的几千到几万次高出几个数量级。 优秀的可缩放性：尺寸可以缩小到几纳米，且不会像NAND那样出现漏电问题。 低功耗：写入时功耗低，待机功耗也极低。 数据保持力好：在85°C下可保持数据超过10年。 |
| 缺点 | 慢的写入速度：复杂的擦写流程导致写入速度远低于读取速度。 有限的写入耐久性：单元可擦写次数有限，频繁写入会导致损坏。 写入放大：实际写入的数据量远大于用户请求写入的数据量，加剧了磨损和延迟。 单元间干扰：随着尺寸缩小，单元间的电荷干扰问题越来越严重。 高电压操作：编程和擦除需要较高电压（~20V）。 |
成本高昂：目前生产良率和成熟度不如NAND，导致单位比特成本非常高。 可靠性挑战：电阻漂移问题（电阻值随时间缓慢变化）和热稳定性问题需要持续优化。 读取干扰：长时间的读取电压可能会意外改变相变材料的相态。 市场份额小：产业链和生态系统尚在建设初期，应用案例较少。 |
应用场景
基于以上优缺点,两者的应用场景有明显的区分。
（图片来源网络，侵删）
NAND Flash 的应用场景
- 大容量存储：利用其高密度和低成本优势。
- 消费电子：智能手机、平板电脑、U盘、SD卡、SSD固态硬盘（电脑主盘、游戏主机）。
- 数据中心：企业级SSD，用于数据库、虚拟化、云计算等。
- 嵌入式系统：路由器、智能电视、汽车娱乐系统等。
相变存储器的应用场景
- 内存与存储之间的桥梁：利用其高速、高耐久、非易失的特性，填补DRAM和NAND之间的性能鸿沟。
- 存储级内存：这是最具潜力的应用，作为系统主内存，可以替代部分DRAM，提供大容量、非易失的存储，实现“开机即用”,数据永不丢失。
- 高速缓存/缓存加速：作为SSD或硬盘的智能缓存，加速数据写入，减少写入放大,延长SSD寿命。
- 嵌入式/物联网：对功耗、速度和耐久性有特殊要求的场景，如网络设备、工业控制、可穿戴设备等。
- 存算一体：忆阻器天然的模拟计算特性，使其在人工智能领域有巨大潜力，可以实现“在存储中计算”,大幅提升AI芯片的能效比。
未来展望
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NAND Flash：
- 持续微缩：向 1xx nm 甚至更小尺寸发展，同时探索新的结构，如 3D NAND（堆叠更多层数，如200+层）是当前和未来的主流方向。
- 新材料探索：研究如 CFL (Charge-Trap Flash) 等技术来替代传统浮栅,以解决缩放极限问题。
- 应用拓展：通过与控制器和软件的深度优化,继续在SSD市场占据主导地位。
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相变存储器：
- 降低成本：这是其走向大规模商用的最大障碍，需要通过改进材料、工艺和设备来提高良率。
- 提升可靠性：解决电阻漂移和热稳定性等核心物理问题。
- 生态系统建设：需要更多芯片厂商、设备商和软件开发商的加入,建立完善的设计工具链和标准。
- 新兴应用：在存算一体和 neuromorphic computing (神经形态计算) 领域，PCM 的潜力巨大,可能成为颠覆性的技术。
NAND Flash 就像一个大仓库，容量巨大，成本
（图片来源网络，侵删）
