将军与士兵：固态硬盘主控与闪存原理

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固态硬盘当中闪存负责存储数据，主控负责与电脑主机进行直接沟通。在大家的印象中，主控像是负责指挥的将军，而闪存是具体执行任务的士兵。俗话说，不想当将军的士兵不是好士兵，闪存其实并不简单，在它之内同样有复杂的控制电路存在。下图为东芝TR200固态硬盘拆解，由1颗主控与8颗闪存颗粒组成。

主控在实现基本的数据读写功能之外，还需要处理不同闪存单元之间的磨损均衡、垃圾回收，使得整个固态硬盘能否发挥出更佳的性能与寿命。下图为东芝TR200固态硬盘所采用的东芝TC58NC1010GSB主控芯片。

平时介绍固态硬盘主控的文章较多，而对于闪存的内部结构，大家所知不多。闪存是如何被主控管理的？他们之间遵循的又是哪一种语言？接下来就以东芝TR200固态硬盘使用的BiCS闪存为例，一起了解熟悉而又神秘的闪存。

闪存根据接口的不同分为Toggle和ONFI两类，东芝和三星属于Toggle阵营，而美光和SK Hynix则属于ONFI阵营，二者定义了不同的主控-闪存沟通“语言”。下图为东芝TR200固态硬盘当中的3D闪存颗粒采用了TSOP封装，具有成本低、工作稳定等特点。

TSOP闪存封装的两侧共有48个针脚用于供电、控制和数据信号的传输。在不同的闪存接口模式下，这些针脚还具备了不同的定义，通常用到的是Toggle DDR2.0定义，闪存接口带宽400MT/s。

通过这些TSOP针脚，闪存颗粒内的逻辑与控制电路就可以与外接进行沟通。闪存内的控制电路解读主控发来的指令，并操控闪存阵列完成相应的闪存读取、写入、擦除等动作。

闪存颗粒内的结构是大众平时很难接触到的另一个微观世界。除了逻辑与控制电路外，闪存颗粒中占主要面积的是存储数据的闪存单元阵列。在LUN、Plane层次，闪存可以充分发挥并行的优势，实现性能倍增。

在Plane内，闪存单元依据Block、Page编址，这是主控访问和控制闪存的基础。

闪存颗粒对外有多个引脚，分别对应了不同的定义和功能，比如CE代表ChipEnalbe，给某个闪存Target对应的CE引脚加上高电平，就可以选中它以便进行其后的操作。下图所示的闪存读取过程中，CLE升高的时候可以通过DQ数据引脚将闪存命令输入到闪存中的命令寄存器。接下来ALE升高，由DQ数据引脚输入闪存地址。闪存收到读取命令和命令对应的地址之后，R/B状态拉低表示当前正忙。然后是DQS数据选通升高，通过DQ引脚输出读取到的数据给主控，最终再由主控处理后回馈给电脑主机。

闪存的设计与制造充满技术挑战。作为闪存世界的缔造者，东芝目前已经通过96层堆叠与QLC技术实现了最高1.33Tb的存储密度，单个闪存颗粒的容量最高可达2.66TB。大容量闪存将引领手机走向TB级存储空间，电脑固态硬盘也将随着单位容量成本的降低而得到更高的普及率。下图为东芝BiCS4 QLC闪存颗粒。