固態(tài)硬盤(pán)MLC、TLC和QLC顆粒

印寧華|Indining China|

2023-08-08 09:08:17 1088

在U盤(pán)、SSD等固態(tài)存儲(chǔ)產(chǎn)品中，閃存芯片顆粒是核心，其關(guān)乎產(chǎn)品成本、壽命以及速度。閃存芯片顆粒主要有三種類(lèi)型，分別為SLC、MLC、TLC，三者之間的區(qū)別，如下：SLC、MLC、TLC閃存芯片顆粒區(qū)別介紹

1、SLC = Single-Level Cell ，即1bit/cell，速度快壽命長(zhǎng)，價(jià)格貴（約MLC 3倍以上的價(jià)格），約10萬(wàn)次擦寫(xiě)壽命；

2、MLC = Multi-Level Cell，即2bit/cell，速度一般壽命一般，價(jià)格一般，約3000---10000次擦寫(xiě)壽命。

3、TLC = Trinary-Level Cell，即3bit/cell，也有Flash廠(chǎng)家叫8LC，速度慢壽命短，價(jià)格*，約500-1000次擦寫(xiě)壽命。

4、QLC = Quad-Level Cell，即4bit/cell, 四層式存儲(chǔ)單元，QLC閃存芯片顆粒有著比TLC更高存取時(shí)間，與此同時(shí)價(jià)格上對(duì)比TLC變低，優(yōu)點(diǎn)就是能將容積做出來(lái)的更高，價(jià)格上變低，缺點(diǎn)便是P/E使用壽命較短，最初基礎(chǔ)理論可讀寫(xiě)頻次僅150次，但隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步現(xiàn)在已提升了近十倍。

固態(tài)硬盤(pán)簡(jiǎn)介：固態(tài)硬盤(pán)(Solid State Drives)，簡(jiǎn)稱(chēng)固盤(pán)，固態(tài)硬盤(pán)(Solid State Drive)用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤(pán)，由控制單元和存儲(chǔ)單元(FLASH芯片、DRAM芯片)組成。固態(tài)硬盤(pán)在接口的規(guī)范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤(pán)的完全相同，在產(chǎn)品外形和尺寸上也完全與普通硬盤(pán)一致。被廣泛應(yīng)用于軍事、車(chē)載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空、導(dǎo)航設(shè)備等領(lǐng)域。

其芯片的工作溫度范圍很寬，商規(guī)產(chǎn)品(0~70℃)工規(guī)產(chǎn)品(-40~85℃)。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場(chǎng)。由于固態(tài)硬盤(pán)技術(shù)與傳統(tǒng)硬盤(pán)技術(shù)不同，所以產(chǎn)生了不少新興的存儲(chǔ)器廠(chǎng)商。廠(chǎng)商只需購(gòu)買(mǎi)NAND存儲(chǔ)器，再配合適當(dāng)?shù)目刂菩酒涂梢灾圃旃虘B(tài)硬盤(pán)了。新一代的固態(tài)硬盤(pán)普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口和SFF-8639接口。

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人們對(duì)數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)需求也在不斷提升，現(xiàn)在多家存儲(chǔ)廠(chǎng)商推出了自己的便攜式固態(tài)硬盤(pán)，更有支持Type-C接口的移動(dòng)固態(tài)硬盤(pán)和支持指紋識(shí)別的固態(tài)硬盤(pán)推出。

MLC和TLC的區(qū)別是成本不同，閃存粒子最早只是SLC技術(shù)粒子，為了降低成本，制造商開(kāi)發(fā)了MLC顆粒，為了進(jìn)一步降低成本，制造商開(kāi)發(fā)了TLC顆粒，因此TLC的成本低于MLC，性能也是不同的，閃存顆粒本質(zhì)上是一塊指甲大小的硅板，通過(guò)極紫外光將其雕刻成數(shù)十億納米級(jí)存儲(chǔ)單元，新一代TLC顆粒在性能上優(yōu)于MLC。

TLC和MLC是兩種不同的硬盤(pán)粒，在正常條件下，MLC的使用壽命比TLC長(zhǎng)，MLC在讀寫(xiě)速度上比TLC硬盤(pán)快，而且TLC硬盤(pán)在長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)失去速度，但在正常家用中它們之間的差異并沒(méi)有那么大，MLC在各方面都優(yōu)于TLC硬盤(pán)，但同等容量的MLC硬盤(pán)在價(jià)格上要高于TLC硬盤(pán)，在選擇固態(tài)硬盤(pán)時(shí)需要考慮用戶(hù)的具體用途和預(yù)期預(yù)算，對(duì)于大多數(shù)用戶(hù)來(lái)說(shuō)TLC固態(tài)硬盤(pán)不僅價(jià)格*，而且足夠日常使用。

關(guān)于QLC
在這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，游戲、電影、照片等數(shù)據(jù)越來(lái)越大，硬盤(pán)容量將會(huì)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。雖然傳統(tǒng)的機(jī)械硬盤(pán)可以解決容量問(wèn)題，但是速度太慢，體驗(yàn)糟糕，并不是最優(yōu)的個(gè)人存儲(chǔ)解決方案。

我們渴求大容量的SSD，不過(guò)超過(guò)TB大容量SSD動(dòng)不動(dòng)就幾千元的售價(jià)，對(duì)于支付能力有限用戶(hù)實(shí)際上沒(méi)有意義。SSD的成本主要來(lái)源于閃存，在TLC閃存能夠?qū)崿F(xiàn)TB容量可惜價(jià)格未能降下來(lái)。只有不斷開(kāi)發(fā)新類(lèi)型的閃存，解決容量與價(jià)格的矛盾，才能讓SSD真正在大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)揮應(yīng)有作用。

這時(shí)，QLC 閃存就應(yīng)運(yùn)而生，目前，東芝和西數(shù)先后宣布成功開(kāi)發(fā)基于四比特單元3D NAND閃存芯片，即QLC閃存，這也意味著QLC SSD將要來(lái)臨。那么，它與TLC閃存又有什么區(qū)別，能否取代TLC成為SSD主流閃存之選?

什么是TLC 以及QLC閃存?

TLC = Trinary-Level Cell，即3bit/cell(每個(gè)Cell單元儲(chǔ)存3個(gè)數(shù)據(jù)，有8個(gè)狀態(tài)，具體如上圖，有八種不同電壓狀態(tài))。主要特點(diǎn)：成本低，容量大，但速度慢，壽命短，約500-1000次擦寫(xiě)壽命。但隨著技術(shù)的成熟，壽命問(wèn)題已經(jīng)得到改善(約1500-2000次擦寫(xiě)壽命)，并成為目前閃存顆粒中的最主流產(chǎn)品。

QLC=Quad-Level Cell，即4bit/cell(每個(gè)Cell單元儲(chǔ)存4個(gè)數(shù)據(jù)，有16個(gè)狀態(tài)，具體如上圖，有十六種不同電壓狀態(tài))。相比于TLC來(lái)說(shuō)，成本比更低，容量更大，而可靠、穩(wěn)定性及壽命則更差些(此前幾年預(yù)計(jì)的理論可擦寫(xiě)100-150次)，不過(guò)目前東芝宣稱(chēng)，他們的QLC NAND擁有多達(dá)1000次左右的P/E編程擦寫(xiě)循環(huán)，幾乎已經(jīng)和TLC閃存旗鼓相當(dāng)。

注：每Cell單元存儲(chǔ)數(shù)據(jù)越多，單位面積容量就越高，但同時(shí)導(dǎo)致不同電壓狀態(tài)越多，越難控制，導(dǎo)致顆粒穩(wěn)定性越差，壽命低，利弊都有。

不得不承認(rèn)，TLC閃存的出現(xiàn)大大提升了SSD的容量，并在一定程度上降低了SSD的價(jià)格。不過(guò)，依舊沒(méi)解決SSD價(jià)格的難題，大容量SSD仍舊貴。小容量SSD+大容量HDD的存儲(chǔ)方案，終究沒(méi)有單純大容量SSD來(lái)得好。

當(dāng)QLC 閃存的誕生，也許既廉價(jià)又擁有超大容量的SSD，從理想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

QLC與TLC之間的區(qū)別：

1、壽命
前段時(shí)間，東芝稱(chēng)其QLC NAND擁有多達(dá)1000次左右的P/E編程擦寫(xiě)循環(huán)，打破100-150次魔咒，可以與TLC閃存顆粒壽命想媲美。如果真的達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，那么QLC SSD就能夠“理直氣壯”進(jìn)入市場(chǎng)了。

1000次壽命,對(duì)于普通人來(lái)說(shuō),也沒(méi)有那么可怕。一般人平均每天的寫(xiě)入量很少能超過(guò)10GB，那么我們就假設(shè)是10GB，120GB QLC SSD，寫(xiě)入壽命達(dá)到120 TB。假設(shè)寫(xiě)入放大系數(shù)則假定為3，甚至5，那么三年之內(nèi)，很難寫(xiě)壞它。且QLC閃存擁有高容量，也意味著其在QLC驅(qū)動(dòng)器中可通過(guò)超額配置以延長(zhǎng)產(chǎn)品本身的有效壽命。

目前TLC SSD在質(zhì)保期普遍達(dá)到3年，有的質(zhì)保期甚至達(dá)到5年。那么QLC 壽命問(wèn)題又有什么好擔(dān)心?

2、穩(wěn)定性 QLC閃存是存儲(chǔ)4位電荷，有16種狀態(tài)，而TLC存儲(chǔ)3位電荷，有8種狀態(tài) 。這意味著QLC閃存單位存儲(chǔ)密度更大，是TLC的2倍，單顆芯片可達(dá)到256GB甚至512GB。但是，也因如此，QLC閃存的電壓更難控制，干擾更復(fù)雜，而這些問(wèn)題都會(huì)影響QLC閃存的性能、可靠性及穩(wěn)定性。不過(guò)TLC的這個(gè)活生生的案例在前面，解決起來(lái)會(huì)更容易一些。

3、成本雖然QLC只是在TLC的電子單元內(nèi)增加了一個(gè)比特位，但其所要求的技術(shù)含量卻非常高。因?yàn)椴粌H要在原有的基礎(chǔ)上增加一個(gè)比特單位，還需要雙倍的精度才能保有足夠高的穩(wěn)定性以及性能。不過(guò)，一旦解決了所有技術(shù)上的難題，隨著SSD容量的大幅增加，其所需要的單位成本也會(huì)相應(yīng)降低。

4、容量東芝的QLC的技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)每閃存顆粒768Gb(96GB)的容量，相比之TLC顆粒的 512Gb有了更大提升。如果采用16顆粒封裝，那么可以實(shí)現(xiàn)單顆芯片封裝達(dá)到1.5TB的容量，容量達(dá)到目前單顆最大。如果一塊SSD采用八顆這樣的新品，總?cè)萘靠梢赃_(dá)到驚人的12TB。

寫(xiě)在最后：

雖說(shuō)目前QLC 閃存也只是這幾年正式出現(xiàn)在人們的視線(xiàn)中，其在速度、壽命、穩(wěn)定性等方面可能會(huì)比TLC差，但是更*的成本、更大容量的優(yōu)勢(shì)是無(wú)法忽視的。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，QLC就像當(dāng)年TLC一樣從不被接納到廣泛認(rèn)可也是早晚的事情，

其實(shí)不管是TLC還是QLC，只要價(jià)格夠*，容量夠大，速度夠快，壽命有保障，總會(huì)獲得消費(fèi)者的喜歡，贏(yíng)得屬于自己的市場(chǎng)份額。

而對(duì)于HDD來(lái)說(shuō)，QLC的出現(xiàn)將帶來(lái)更大的威脅。或許真正QLC SSD普及之時(shí)，才是HDD 跟我們Say byebye之時(shí)。

固態(tài)硬盤(pán)壽命殺手究竟是誰(shuí)？

與其擔(dān)心寫(xiě)入量的問(wèn)題會(huì)影響固態(tài)硬盤(pán)壽命，不如擔(dān)心一下固態(tài)硬盤(pán)壽命的真正殺手——過(guò)熱和突然斷電。因?yàn)楣虘B(tài)硬盤(pán)是用電信號(hào)擦除寫(xiě)入數(shù)據(jù)，所以突然斷電對(duì)固態(tài)硬盤(pán)來(lái)說(shuō)非常嚴(yán)重的事情，頻繁的突然斷電可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，包括已寫(xiě)入保存的數(shù)據(jù)！這和機(jī)械硬盤(pán)是有本質(zhì)區(qū)別的。所謂突然斷電，比如說(shuō)停電、硬關(guān)機(jī)這類(lèi)都屬于斷電范疇。

另一個(gè)壽命殺手就是過(guò)熱了，固態(tài)硬盤(pán)其實(shí)耐熱能力不如機(jī)械硬盤(pán)，過(guò)熱會(huì)極大縮短固態(tài)硬盤(pán)中閃存顆粒的壽命，這是因?yàn)殡娮有酒瑫?huì)因?yàn)檫^(guò)熱產(chǎn)生一種叫做電子遷移的現(xiàn)象，說(shuō)白一點(diǎn)就是加速老化，從物理結(jié)構(gòu)上造成不可逆的壽命損傷，如果長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度使用固態(tài)硬盤(pán)，再加上散熱工作不到位，就很容易造成固態(tài)硬盤(pán)過(guò)熱，就小編的看法，這遠(yuǎn)比關(guān)心閃存顆粒的擦寫(xiě)次數(shù)更值得關(guān)注。

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