NAND flash

Коротко: NAND flash — это память в SSD, USB-накопителях и SD-картах. Она хранит данные в виде электрического заряда в транзисторных ячейках, который сохраняется и без питания.

Подробнее: Каждая ячейка — это транзистор с изолированным слоем («floating gate» или charge trap), в котором запираются электроны. Количество заряда определяет, будет ли ячейка прочитана как 0 или 1. Название NAND происходит от последовательного соединения ячеек (как у логического элемента NAND).

Подробности

Как хранит SSD:

• Запись (программирование): высоким напряжением электроны «туннелируются» через изолирующий слой в floating gate.
• Чтение: небольшое тестовое напряжение измеряет, проводит ли ячейка. Пороговое напряжение выдаёт состояние.
• Стирание: заряд снова вытягивается, только блоками (блок = несколько МБ), тогда как запись идёт постранично (страница = 4 – 16 КБ).
• Нет движущихся частей: поэтому тихо, устойчиво к ударам и с чрезвычайно малым временем доступа.

Виды ячеек (бит на ячейку):

Тип	Бит	Циклы записи	Плотность	Скорость	Применение
SLC	1	~100 000	низкая	очень высокая	Промышленность, кэш
MLC	2	~10 000	средняя	высокая	Профессиональное
TLC	3	~1 000 – 3 000	высокая	хорошая	Стандартные SSD
QLC	4	~100 – 1 000	очень высокая	ниже	Дешёвые большие SSD

3D NAND: ячейки укладываются друг на друга в 100–300 слоёв. Ёмкость растёт без необходимости дальше уменьшать ячейки.

Контроллер: у каждого SSD есть контроллер с задачами:

• Выравнивание износа (wear leveling): равномерно распределяет записи, чтобы ни одна ячейка не изнашивалась раньше времени.
• Сборка мусора (garbage collection): упорядочивает блоки, частично содержащие недействительные данные.
• TRIM: операционная система сообщает о свободных областях, которые контроллер стирает заранее.
• Коррекция ошибок (ECC) и запасные ячейки (over-provisioning).
• SLC-кэш: часть сначала быстро пишет по 1 биту на ячейку, затем реорганизуется.

Ограничения:

• Конечное число циклов записи. Мера — TBW (записано терабайт). Обычные пользователи редко его достигают.
• Удалённые данные трудно перезаписать (безопасное удаление только через secure erase или шифрование).
• Заряд может утекать за годы (хранение данных без питания 1 – 10 лет в зависимости от температуры).

Сравнение: NAND flash — технология, стоящая за «SSD», а SATA/NVMe — лишь подключение. Аналог — NOR flash (быстрее чтение, исполнение напрямую, меньший размер, например, чипы BIOS).

См. также: SSD, Выравнивание износа в SSD, SATA, PCIe и NVMe: сравнение