深入了解 Flash 存储：从基础原理到选型指南

Flash 存储是指使用非易失性闪存（Flash Memory）来保存数据的任何存储设备。这包括 SSD（固态硬盘）、存储卡、嵌入式模块以及其他固态存储介质。其中，SSD 最为人熟知，并广泛应用于消费级及工业控制（工控）系统中。

本文将探讨 Flash 存储的工作原理，以及如何针对不同应用场景挑选最合适的解决方案。

NOR 与 NAND 架构​  

Flash 存储的核心在于内存架构—即单个存储单元（存储比特的最小单位）如何被组织与访问。

闪存主要有两种架构：NOR 与 NAND，它们的差异主要在于存储单元的连接方式。两种架构呈现出的优缺点，决定了它们各自适合的应用范围。

NOR 闪存的名称来自逻辑门“Not OR”，描述了电路的运作方式。NOR 的存储逻辑就像书架，每本书（数据比特）都有自己的独立书架（存储单元），且每本书都可以直接访问，不会影响其他书籍。

技术上来说，每个存储单元都是独立运作的，它们拥有自己的控制线，因此读取特定位时无需经过其他单元，从而实现了快速的随机访问速度。然而，就像每本书都需要独立的书架会占用更多空间一样，NOR 闪存需要更多的布线和配置，导致存储密度降低、成本增加。

因此，NOR 闪存更常用于微处理器的代码存储，例如个人电脑的 BIOS 存储、用于存储小型辅助数据的存储芯片，或用于手机和平板中存放操作系统的存储空间。 

另一方面，NAND 闪存的名称来自“Not AND” 逻辑门，并定义了它的运作方式。其存储逻辑更像是把书籍一本本地堆成高塔，使存储单元以链状连接，因此如果想要拿到中间的书籍，必须先移开上方堆叠的书本。

技术上来说，NAND 存储单元共用控制线，并以串行方式访问。这种设计让 NAND 更节省空间，通过串联的存储单元来存储更多数据，从而降低成本；只是在读取单个位时，速度不如 NOR 闪存。

在上述技术特点的权衡之下，NAND 架构通常用于 SSD、USB 闪存盘、存储卡、手机等设备。这些设备的数据多以串行方式写入，且相比于随机访问速度，它们更看重存储容量。

在接下来的内容中，我们将主要聚焦于 NAND 架构，因为它是现代主流固态硬盘所采用的设计。
 

NAND 存储单元排列：迈向 3D 结构

随着制造商持续寻找降低闪存成本的方法，他们发现当制程缩小到 10 纳米以下时，成本已不再必然下降。为了应对容量与成本的挑战，业界转向 3D NAND 技术，将存储单元进行垂直堆叠，不再试图将它们挤入平面布局中。 
 

NAND 存储单元类型与数据容量

目前，一个存储单元可以存储 1、2、3 或 4 位（bit）的信息。从物理结构来看，即使 NAND 的存储单元都是由相同的晶体管组成，仍会因为每个单元存储的电荷量差异，而区分成四种不同的 NAND 技术类型：SLC、MLC、TLC 和 QLC；且上述技术都可以实现在 2D 平面或 3D 堆叠的架构中。
 

SLC（单层单元）

在 SLC 中，每个存储单元仅存储 1 位数据，因此仅有两种可能的电荷状态（2¹）。由于这两种状态之间的间距宽裕，使得读写时更容易准确判断，精度也更高。

这也是为什么 SLC 在性能、写入速度、错误率以及编程/擦除（P/E）周期寿命上都表现最佳。然而，由于它使用较多的空间来存储较少的数据，因此每比特成本在所有 NAND 类型中是最高的。

MLC（多层单元）

MLC 每个存储单元存储 2 位数据，使用 4 个不同的电荷等级（2²）。相较 SLC 技术，MLC 能够提升存储容量、降低成本，并提升空间使用效率。然而，由于单元需要区分更多电压等级，读写时需要更精密的控制，这可能稍微影响速度和可靠性。其耐久性（可写入/擦除次数）也低于 SLC。不过整体而言，MLC 对于许多广泛的日常应用，是一个实用且均衡的选择。 

TLC（三层单元）

TLC 技术在每个存储单元存储 3 位数据，使用 8 个电荷等级（2³）。这进一步提升了存储容量并能降低成本，特别适合导入消费级设备中，以最大化单位成本的存储容量。

随着每个单元的位数增加，各电荷等级之间的电压差距变小，TLC 可能导致访问速度降低，且相较 SLC 与 MLC 更容易出现错误，但 TLC 仍能在成本与容量之间取得有效的平衡，因此被广泛应用于各类日常使用的 SSD 当中。

QLC（四层单元）

QLC 技术则将极限推至每个单元存储 4 位数据，使用 16 个电荷等级（2⁴）。这使得 QLC 拥有非常高的存储密度，并成为每 GB 成本效益最高的选择，甚至接近传统机械硬盘的价格水平。

然而，这也使得 QLC 在速度和使用寿命上可能较不稳定，尤其是在大量写入时格外明显；但即便如此，QLC 技术仍然非常适合数据密集型的存储应用。

iSLC/Ultra iSLC

除了上述技术，对于工控领域的系统集成商来说，在选择最佳工业存储解决方案时，要在成本与可靠性之间取得平衡，始终是一大挑战。因此，宜鼎國際开发了独家的 iSLC 技术——通过自主研发的固件技术，将标准 3D TLC 转化为更可靠、高性能的选项，且不需要更改 NAND 结构。

iSLC 通过定制固件让每个 NAND 单元仅存储 1 位，有效模拟 SLC 的存储行为，并将耐久性提升至 30,000 次写入/擦除周期，写入性能也非常接近真实的 SLC，大幅延长了硬盘的使用寿命。

不仅如此，若存储设备需要面对更严苛的应用环境，宜鼎更进一步开发了 Ultra iSLC 技术。在既有 iSLC 的基础上进行更进阶的调校，将耐久性推升至 100,000 次写入/擦除周期，并大幅降低错误位率，使其成为工业自动化、嵌入式系统和边缘 AI 等应用的全新选择。
 

在理解闪存的技朮架构后，接下来将探讨如何选择合适的 Flash 存储设备？需要考虑哪些因素。

除了内存技术外，我们还需要考量其他关键因素，例如物理规格、接口与使用环境条件等，才能做出最合适的选择。最后，也将分享宜鼎的产品命名规则。

物理规格与接口

选择物理规格与接口时，必须确保系统的插槽与端口兼容。

2.5 英寸 SATA 物理规格依然是工业与企业系统中最常见的选择之一。它的广泛兼容性使其成为传统硬盘和 SSD 的首选。同时，M.2 SSD 因其体积小巧，并同时支持 SATA 与 PCIe 接口，在主板空间有限的系统中特别受欢迎，具有高度的应用弹性。

在其他空间更为狭小的情境下，mSATA 则是相当合适的物理规格，特别适用于嵌入式或传统的系统设计架构中。

此外，在接口方面，虽然 SATA 的稳定性与支持度仍能满足许多广泛的使用需求，但对于追求高速性能的用户来说，PCIe SSD 已成为首选。在大多数应用中，PCIe Gen4 已能提供足够性能，而 PCIe Gen5 则开始在 AI、边缘计算与数据中心等需要超高传输量的环境中导入。

宜鼎现有产品线能协助客户满足各种工控应用需求；通过下表，将能了解宜鼎所提供的各类产品选项。
 

操作环境条件

工业计算机与一般消费级计算机有许多不同之处，其中最显著的差异在于工业计算机往往需要全年无休地持续运转、不中断；同时，也要具备抵抗高低温、震动、冲击及高湿度的能力。这些严苛的要求，都必须落实在工业计算机的所有零部件上，当然也包括存储设备。

Flash 存储设备可分为两大类：

• 标准温度等级
• 宽温等级

例如，宜鼎的 SD Card 3TE4 与 MicroSD 3IE4 均提供标准温度等级的规格，适用于不需要宽温耐受度的应用场景。

了解宜鼎产品命名规则 

藉由理解宜鼎的产品命名规则，将能轻松地在众多产品选择中找到最合适的存储设备。

我们以 2.5 英寸 SATA SSD 为例，来拆解其型号命名规则。
 

最重要的是，如果在选购产品时有任何疑问，只需向下滑动并点击页面底部的「联系我们」。我们的业务团队随时准备提供专业且贴心的支持。

选购 Flash 存储

延伸阅读

1. iSLC / Ultra iSLC Technology

2. InnoRobust™

3. InnoREC™

4. InnoOSR