基于NAND闪存的SSD硬盘如今越来越被人接受, 成为装机必选配件之一, HDD机械盘越来越不受宠, 如果不是过去两年存储芯片经历了一次长达两年的涨价, 2018年市场上应该可以普及480-512GB的SSD了, 人们对SSD容量的需求也越来越大, 继TLC统治SSD市场之后, QLC闪存也闪亮登场了.
去年7月份东芝公司就率先宣布了QLC闪存, 核心容量768Gb, 创造了NAND容量新纪录, 今年5月底美光, 英特尔也宣布了自家的QLC闪存, 并且推出了新的5210 ION系列硬盘, 正式商业化QLC闪存技术, 可它的到来却让很多人充满怀疑, 不少读者都在质疑QLC闪存的性能及可靠性, 甚至认为这是一种倒退, 那么实情到底如何呢?
在了解QLC闪存之前, 我们首先简单介绍下NAND闪存中不同类型到底都有哪些区别及优缺点吧.
NAND闪存基本原理: QLC容量大, 但性能也变差了
NAND闪存是靠存储单元能多少位信息然后施加不同电压才实现信息存储的, 很多人都知道NAND闪存有SLC, MLC及TLC之分, 现在又多了QLC闪存, 那么它们之间到底有多少区别呢?
SLC: 全称Single-Level Cell, 每个Cell单元存储1bit信息, 也就是只有0, 1两种电压变化, 结构简单, 电压控制也快速, 反映出来的特点就是寿命长, 性能强, P/E寿命在1万到10万次之间, 但缺点就是容量低, 成本高, 毕竟一个Cell单元只能存储1bit信息.
MLC: 全称是Multi-Level Cell, 它实际上是跟SLC对应的, SLC之外的NAND闪存都是MLC类型, 而我们常说的MLC是指2bit MLC.
每个cell单元存储2bit信息, 电压有000,01,10,11四种变化, 所以它比SLC需要更复杂的的电压控制, 加压过程用时也变长, 意味着写入性能降低了, 同时可靠性也下降了, P/E寿命根据不同制程在3000-5000次不等, 有的还更低.
TLC: 也就是Trinary-Level Cell了, 准确来说是 3bit MLC , 每个cell单元存储3bit信息, 电压从000到111有8种变化, 容量比MLC再次增加1/3, 成本更低, 但是架构更复杂, P/E编程时间长, 写入速度慢, P/E寿命也降至1000-3000次, 部分情况会更低.
现在上市的QLC则是Quad-Level Cell, 或者叫 4bit MLC , 电压从0000到1111有16种变化, 容量增加了33%, 但是写入性能, P/E寿命会再次减少.
怎么理解这些技术变化? 我们可以举个简单的例子, 把NAND闪存当成大学的宿舍, SLC闪存相当于博士宿舍, 往往是单人间, 所以成本高, 但是博士能做的工作也更好, 而MLC闪存就是硕士宿舍, 两个人一间, 成本是降低了不少, 不过硕士做研究自然是不如博士的.
TLC则是3人间的大学宿舍, QLC则是4人间的宿舍, 可能还是非热门专业的学渣聚集在一起, 战斗力比起前面的三种要差很多, 不过好歹也是大学生.
QLC闪存与TLC闪存性能对比, 写入性能进一步下降
具体到性能上, 美光做过详细解读, 首先读取速度没比TLC闪存差多少, SATA接口中两者都可以达到540MB/s速度, QLC闪存主要差在写入速度上, 因为它天生的P/E编程时间就比MLC, TLC更长, 速度更慢, 连续写入速度从520MB/s降至360MB/s, 随机性能更是从9500 IOPS降至5000 IOPS, 损失将近一半.
同时MTTF无故障间隔时间也从300万小时降至200万小时, 性能, 可靠性下降是没跑了.
23D堆栈技术加持, QLC闪存遇到了好时候 3D堆栈技术加持, QLC闪存遇到了好时候
正如TLC闪存刚问世时遭遇的考验一样, 性能, 可靠性下降是QLC闪存必然的缺点, 我们应该对QLC闪存感到担忧吗, 或者说排斥QLC闪存?
直觉上应该是这样, 但是我们也要了解一点——如今的NAND闪存早进入3D NAND时代了, 跟2D NAND时代不一样了, 而3D NAND时代的QLC闪存也不同于2D NAND时代的QLC闪存, 这是双方技术路线决定的.
在2D NAND闪存时代, 厂商为了追求NAND容量提升, 需要不断提升NAND制程工艺, 所以NAND前几年从50nm不断进入30nm, 20nm以及10nm时代.
这好比处理器工艺不断升级一样, 好处是提高了晶体管密度, 提升了NAND容量, 降低了成本, 但是NAND工艺提升意味着也使得用于阻挡电子的二氧化硅层越来越薄, 导致可靠性变差, 而MLC, TLC, QLC闪存穿越二氧化硅层的频率逐级升高, 也会导致氧化层变薄, 这就是P/E寿命不断降低的原因.
但在3D NAND时代, 提升NAND容量靠的不是微缩制程工艺了, 而是靠堆栈的层数, 所以工艺变得不重要了, NAND厂商甚至可以使用之前的工艺, 比如三星最初的3D NAND闪存使用的还是40nm工艺, 可靠性要比20nm, 10nm级工艺高得多.
也正因为此, QLC闪存获得了TLC不一样的待遇, TLC闪存刚问世时还是2D NAND闪存时代, 所以遭遇了诸多寿命, 性能上的考验, 最初发布的TLC闪存P/E寿命只有100-150次, 完全不能看, 但美光, 英特尔推出的QLC闪存直接使用3D NAND技术, P/E寿命达到了1000次, 完全不输现在的3D TLC闪存.
大家可能没注意到, 这次首发的5210 ION硬盘是给企业级市场使用的, 而非消费级市场, 前者对可靠性的要求比消费级市场更高, 英特尔, 美光这么做说明对QLC闪存的寿命, 可靠性有信心.
此外, P/E寿命也不是不变的, 随着NAND技术的进步, 纠错技术的改良, P/E寿命是会提升的, TLC闪存就从之前的不足500次逐渐提升到了1000次或者更高水平, 可靠性已经经过验证了, QLC同样也会如此.
存储需求已经变了, 超大容量SSD时代即将到来
QLC闪存的问世有NAND厂商不断降低成本的需要, 但这个问题从根本上来说是现在市场的需求正在改变, 我们通常认为的存储需求是内存, SSD及HDD而已, 性能逐级降低, 容量逐级升高.
但是现在内存与SSD之间又多了一个SCM (系统级存储) , 英特尔前几天发布的NVDIMM内存就是这种, 它的性能比DDR4低, 但高于SSD硬盘, 同时断电也不损失数据.
SSD与HDD之间也会多出一个层级, 那就是超大容量SSD, TB级都是起步水平, 未来容量达到10TB也是小菜一碟, 不过这个超大容量SSD的性能是比不过现有MLC, TLC闪存硬盘的, 它的目标是HDD硬盘.
没错, QLC闪存一旦大规模量产, 用它做的SSD硬盘写入速度可能也就是200-300MB/s左右, 但是5000+的随机写入性能依然远高于HDD硬盘, 同时容量可达10-100TB级别.
东芝此前在发布QLC闪存时就给我们描绘了这样一个未来, 100TB容量的QLC闪存SSD性能跟12台8TB HDD硬盘组成的阵列差不多, 都是3000MB/s, 但是50K IOPS随机性能远胜于HDD阵列, 同时0.1W的待机功耗也远低于HDD阵列的96W, 这也是英特尔, 美光首先在企业级市场发布QLC闪存的原因, 在这部分需求上QLC硬盘硬盘是完胜HDD硬盘.
美光之前预测2021年时SSD平均容量可达597GB, 听上去并不高, 但是他们还预测到时候每个PC用户平均会用4个SSD硬盘, 这不是说我们买4个容量600GB的SSD, 更可能是这样一种组合——480/512GB的MLC或者QLC硬盘做主盘, 安装系统及常用软件.
同时会有2TB甚至4TB的QLC闪存SSD硬盘做仓库盘, 保存电影或者游戏, 这种场合下读取速度居多, 写入速度非常少, 可以完美发挥QLC硬盘的优点而避开写入性能不强的缺点.
总结:
QLC闪存的时代已经来了, 除了美光, 英特尔首发QLC硬盘之外, 东芝, 西数的QLC闪存也开始少量出货了, 三星, SK Hynix的QLC闪存也在路上, 只是没有高调公开而已.
大家对QLC闪存的担心很正常, 毕竟原理上来说QLC闪存就要比MLC甚至TLC要差一些, 但是3D NAND时代的QLC闪存在可靠性上跟2D NAND时代的TLC, QLC完全不同, P/E寿命不是问题, 不会比TLC闪存差到哪里去.
QLC闪存最大的诱惑就是未来容量更大, 桌面市场上普及10TB容量就要靠它了, 企业级市场甚至会做到100TB容量, 完全不输HDD硬盘, 同时QLC硬盘的连续性能, 随机性能更完胜HDD硬盘, 功耗, 噪音等方面同样没有可比性, 是真正可能取代HDD硬盘的选择.
