目前絕大多數SSD都是以NAND FLASH為存儲媒體的。SSD工作原理很多都是基于NAND FLASH特性的。比如，NAND FLASH在寫之前必須先擦除，而不能覆寫寫，于是SSD 才需要垃圾回收（Garbage Collection，或者叫 Recycle）；NAND FLASH 每個塊（Block）擦寫次數達到一定值，這個塊就不能用了（資料丢失，或者寫入不了），是以SSD 固件必須做 Wear Leveling，讓資料平均寫在所有塊上，而不是盯着幾個塊拼命寫（不然沒幾天SSD就報廢了）。還有類似很多例子，SSD很多實作都是在為NAND FLASH服務的。是以，欲攻SSD，NAND FLASH首當其沖。 NAND FLASH是一種非易失性存儲器，也就是說，掉電了，資料也不會丢失。NAND FLASH基本存儲單元 (Cell) 是一種類NMOS的雙層浮空栅 (Floating Gate) MOS管組成, 如下圖所示:
在源極(Source)和漏極(Drain)之間電流單向傳導的半導體上形成貯存電子的浮動栅（Floating Gate）。浮動栅包裹着一層矽氧化膜絕緣體。它的上面是在源極和漏極之間控制傳導電流的選擇/控制栅 (Control Gate)。裡面的電子不會因為掉電而消失，是以NAND FLASH是非易失存儲器。
寫操作是在控制極加正電壓，使電子通過絕緣層進入浮栅極。擦除操作正好相反，是在襯底加正電壓，把電子從浮栅極中吸出來。如下圖所示：
一個存儲單元存儲1bit資料的NAND FLASH，我們叫它為SLC (Single Level Cell)，2bit為MLC (Multiple Level Cell) ，3bit為TLC (Triple Level Cell)。
對SLC來說，一個存儲單元存儲兩種狀态，浮栅極裡面的電子多于某個參考值的時候，我們把它采樣為0，否則，就判為1.
對MLC來說，一個存儲單元存儲四個狀态，一個存儲單元可以存儲2bit的資料。通俗來說就是把浮栅極裡面的電子個數進行一個劃分，比如低于10個電子，判為0；11-20個電子，判為1；21-30，判為2；多于30個電子，判為3.
依次類推TLC，它的一個存儲單元有8個狀态，可以存儲3bit的資料，它在MLC的基礎上對浮栅極裡面的電子數又進一步進行了劃分。
同樣面積的一個存儲單元，SLC，MLC和TLC，依次可以存儲1,2,3bit的資料，是以在同樣面積的LUN上，NAND FLASH容量依次變大。
但同時，一個存儲單元電子劃分的越多，那麼在寫入的時候，控制進入浮栅極的電子的個數就要越精細，是以寫耗費的時間就加長；同樣的，讀的時候，需要嘗試用不同的參考電壓去讀取，一定程度上加長讀取時間。是以我們會看到在性能上，TLC不如MLC,MLC不如SLC.
NAND FLASH就是由成千上萬這樣的存儲單元按照一定的組織結構組成的。
上圖是一個FLASH Block的組織架構。一個WordLine對應着一個或若幹個Page，取決于SLC,MLC或者TLC。對SLC來說，一個WordLine對應一個Page；MLC則對應2個Page，這兩個Page是一對：Lower Page 和Upper Page；TLC對應3個Page。一個Page有多大，那麼WordLine上面就有多少個存儲單元（Cell），就有多少個Bitline。一個Block當中的所有這些存儲單元（Cell）都是共用一個襯底的。
一個NAND FLASH内部存儲組織結構是這樣的：一個Device有若幹個DIE（或者叫LUN），每個DIE有若幹個Plane，每個Plane有若幹個Block，每個Block有若幹個Page。每個Page對應着一個Wordline，由成千上萬個存儲單元構成。
DIE/LUN是接收和執行FLASH指令的基本單元。上圖中，LUN0和LUN1可以同時接收和執行不同的指令。但在一個LUN當中，一次隻能執行一個指令，你不能對其中的某個Page寫的同時，又對其他Page進行讀通路。
一個LUN又分為若幹個Plane，一般為1個或者2個，現在也有4個Plane的NAND了。每個Plane都有自己獨立的Cache Register或者 Page Register，一般情況下，兩個Register内容都是一樣的，其大小等于一個Page的大小。Host在寫某個Page的時候，它是先把資料從Host傳輸到該Page所對應Plane的Cache Register當中，然後再把整個Cache Register當中的資料寫到NAND FLASH陣列；讀的時候類似，它先把這個Page的資料從FLASH陣列讀取到Page Register，然後再按需傳給host。這裡按需是什麼意思？就是我們讀取資料的時候，沒有必要把整個Page的資料都傳出來給Host，按需選擇資料傳輸。但要記住，無論是從FLASH 陣列讀資料到Page Register，還是把Page Register的資料寫入FLASH陣列，都是以Page為機關！
我們通常所說的FLASH讀寫時間，是不包含資料從NAND與HOST之間的資料傳輸時間。FLASH寫入時間指是一個Page的資料從Cache Register 當中寫入到FLASH陣列的時間，FLASH讀取時間是指一個Page的資料從FLASH陣列讀取到Page Register的時間。對現在的MLC NAND FLASH來說，寫入時間一般為幾百個微秒甚至幾毫秒，讀取時間為幾十微秒。 NAND FLASH一般都支援Multi-Plane或者說Dual-Plane操作。那麼什麼是Dual-Plane操作呢？對寫來說，HOST先把資料寫入到上第一個Plane的Cache Register當中，資料hold在那裡，并不立即寫入到FLASH陣列，等HOST把同一個LUN上的另外一個或者幾個Plane上的資料傳輸到相應的Cache Register當中，再統一一起寫入FLASH陣列。假設寫入一個Page的時間為1.5ms，一個Page的傳輸時間為50us：如果按原始的Single Plane操作，寫兩個Page需要至少3ms+20us；但如果按照Dual-Plane操作，由于隐藏了一個Page的寫入時間，寫入兩個Page隻要1.5ms+20us，縮減了幾乎一半的時間，寫入速度幾乎翻番。對讀來說，使用Dual-Plane操作，兩個不同Plane上的Page資料會在一個NAND讀取時間加載到各自的Page Register當中，這樣用一個讀取時間讀取到兩個Page的資料，讀取速度加快。考慮讀取時間和資料傳輸時間相當，假設都是50us，Single Plane讀取傳輸兩個Page需要50us*4=200us，Dual-Plane則需要50us*2+50us=150us，時間為前者的75%，讀取速度也有大的提升。 NAND FLASH的擦除是以Block為機關的。為什麼呢？那是因為在組織結構上，一個Block當中的所有存儲單元（Cell）是共用一個襯底的（Substrate）。當你對某襯底施加強電壓，那麼上面所有浮栅極的電子都被吸出來了。每個NAND Block都有擦寫次數的限制，當超過這個次數時，該Block可能就不能用了：浮栅極充不進電子（寫失敗），或者浮栅極的電子很容易就跑出來（比特翻轉，0->1)，或者浮栅極裡面的電子跑不出來（擦除失敗）。這個最大擦寫次數按SLC,MLC,TLC依次遞減：SLC的擦寫次數可達十萬次，MLC一般為幾千到幾萬，TLC降到幾百到幾千。随着NAND FLASH工藝的不斷進步（現在已進入1Xnm時代），NAND FLASH容量不斷加大，但性能與可靠性卻在變差。要克服NAND FLASH的這些不利因素，對SSD固件算法帶來了更多更大的挑戰。 FLASH Block不一定要達到壽命才不能用。一塊FLASH，剛出廠的時候就會有壞塊，這些壞塊叫出廠壞塊。有些廠商會在該Block的某幾個Page當中加入壞塊标記（如下圖所示），使用者在使用前，應該按照FLASH DATASHEET把這些壞塊挑出來建立壞塊表，避免以後使用這些壞塊。
也有一些FLASH廠商會直接告訴你哪些塊是出廠壞塊，這些資訊存儲在FLASH的某個地方，使用者隻需讀取這些資訊即可，無需對整個FLASH的所有Block進行壞塊掃描。
使用者在時候過程中，一個Block，即使未達到最大使用壽命，也有可能變壞。FLASH是允許有一定的壞塊率的。品質好的FLASH，壞塊率是很小的；品質差的FLASH,壞塊産生頻繁。是以在挑選SSD的時候，盡量挑選知名主流的FLASH廠商生産的FLASH,品質有保證。
對MLC來說，擦除一個Block的時間大概是幾個毫秒。 NAND FLASH的讀寫則是以Page為基本單元的。一個Page大小主要有4KB,8KB,16KB。對MLC或者TLC來說，寫一個Block當中的Page，應該順序寫：Page0，Page1，Page2，Page3，…；禁止随機寫入，比如：Page2，Page3，Page5，Page0，…，這是不允許的。但對讀來說，沒有這個限制。SLC也沒有這個限制。 HOST是通過一系列FLASH指令與NAND通訊的。每個FLASH，都定義了其支援的指令，以MICRON 某型号的FLASH為例，它定義了如下指令：
不同的FLASH，所支援的指令有所差異。使用者應該嚴格按照FLASH DATASHEET與FLASH通訊。 談談NAND FLASH的一些特點，或者說它作為存儲媒體面臨的挑戰。
1.Block具有一定的壽命，不是長生不老的。前面提到，當一個Block接近或者超出其最大擦寫次數時，導緻存儲單元的永久性損傷，不能再使用。随着NAND工藝不斷向前，這個擦寫次數也變得越來越小。
2.在NAND當中的存儲單元中，先天就有一些是壞掉的，或者說不穩定的。并且随着NAND的不斷使用，壞的存儲單元越來越多。是以，使用者寫入到NAND的資料，必須有ECC保護，這樣即使其中的一些比特發生反轉，讀取的時候也能通過ECC糾正過來。一旦出錯的比特超過糾錯能力範圍，資料就丢失，對這樣的Block，我們應該廢棄不再使用。
3.FLASH先天有壞塊，也就是說有出廠壞塊。并且，使用者在使用的時候，也會新添壞塊，是以使用者在使用FLASH的時候，必須有壞塊管理機制。
4.讀幹擾（Read Disturb）。什麼意思？從NAND讀取原理來看，當你讀取一個Page的時候，Block當中未被選取的Page控制極都會加一個正電壓，以保證未被選中的MOS管是導通的。這樣問題就來了，頻繁的在一個MOS管控制極加正電壓，就可能導緻電子被吸進浮栅極，形成輕微的Program。進而最終導緻比特翻轉。但是，這個不是永久性損傷，重新擦除Block還能正常使用。注意的是，Read Disturb影響的是同一個Block中的其它Page，而非讀取的Page本身。
5.寫幹擾（Program Disturb）。除了Read Disturb會導緻比特翻轉，Program Disturb也會導緻比特翻轉。還是要回到FLASH内部的Program原理上來。
我們寫一個Page的時候，資料0和1混合的。由于對擦除過的Block，其所有的存儲單元初始值就 是1，是以Program的時候，隻有寫0的時候才真正需要Program。如上圖所示，綠色的Cell是寫0，需要Program的，紅色的代表寫1，并不需要Program。我們這裡把綠色的Cell稱之為Programmed Cells，紅色的Cell叫Stressed Cells。寫某個Page的時候，我們是在其 WordLine的控制極加一個正電壓(上圖是20V),對于Programmed Cells所在的String，它是接地的，不需要Program Cell所在的String，它是接一正電壓（上圖為10V）。這樣最終産生的後果是，Stressed Cell也會被輕微Program。與Read Disturb不同的是，Program Disturb 影響的不僅是同一個Block當中的其它Page，自身Page也受影響。相同的是，都是不期望的輕微 Program導緻比特翻轉，都非永久性損傷，經擦除後，Block還能再次使用。
6.電荷洩漏。存儲在NAND FLASH存儲單元的電荷，如果長期不使用，會發生電荷洩漏。不過這個時間比較長，一般十年左右。同樣是非永久性損傷，擦除後Block還能使用。 上面說的這些，是所有NAND面臨的問題，包括SLC，MLC和TLC。對MLC來說，又有其特有的 一些問題。
- 正如前面提到的，MLC最大擦寫次數變小。這樣，就更需要Wear Leveling技術來保證整個存儲媒體的使用壽命。
- 對MLC來說，一個存儲單元存儲了兩個比特的資料，對應着兩個Page：Lower Page和Upper Page。假設Lower Page先寫，然後再寫Upper Page的過程中，由于改變了整個Cell的狀态，如果這個時候掉電，那麼之前寫入的Lower Page資料也丢失。一句話，寫一個Page失敗，可能會導緻另外一個Page的資料損壞。
- 前面說到，不能随機寫。不能先Program Upper Page，然後再Program Lower Page，這點就限制了我們不能随意的寫。
- 寫Lower Page時間更短，寫Upper Page時間更長。是以會看到有些Page寫入速度快，有些Page寫入時間慢。讀取時間對Lower Page和Upper Page來說都差不多。
同樣是非永久性損傷，擦除後Block還能使用。 上面說的這些，是所有NAND面臨的問題，包括SLC，MLC和TLC。對MLC來說，又有其特有的 一些問題。
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