基於NAND快閃記憶體的SSD硬碟如今越來越被人接受, 成為裝機必選配件之一, HDD機械盤越來越不受寵, 如果不是過去兩年存儲晶片經曆了一次長達兩年的漲價, 2018年市場上應該可以普及480-512GB的SSD了, 人們對SSD容量的需求也越來越大, 繼TLC統治SSD市場之後, QLC快閃記憶體也閃亮登場了.
去年7月份東芝公司就率先宣布了QLC快閃記憶體, 核心容量768Gb, 創造了NAND容量新紀錄, 今年5月底美光, 英特爾也宣布了自家的QLC快閃記憶體, 並且推出了新的5210 ION系列硬碟, 正式商業化QLC快閃記憶體技術, 可它的到來卻讓很多人充滿懷疑, 不少讀者都在質疑QLC快閃記憶體的性能及可靠性, 甚至認為這是一種倒退, 那麼實情到底如何呢?
在了解QLC快閃記憶體之前, 我們首先簡單介紹下NAND快閃記憶體中不同類型到底都有哪些區別及優缺點吧.
NAND快閃記憶體基本原理: QLC容量大, 但性能也變差了
NAND快閃記憶體是靠存儲單元能多少位資訊然後施加不同電壓才實現資訊存儲的, 很多人都知道NAND快閃記憶體有SLC, MLC及TLC之分, 現在又多了QLC快閃記憶體, 那麼它們之間到底有多少區別呢?
SLC: 全稱Single-Level Cell, 每個Cell單元存儲1bit資訊, 也就是只有0, 1兩種電壓變化, 結構簡單, 電壓控制也快速, 反映出來的特點就是壽命長, 性能強, P/E壽命在1萬到10萬次之間, 但缺點就是容量低, 成本高, 畢竟一個Cell單元只能存儲1bit資訊.
MLC: 全稱是Multi-Level Cell, 它實際上是跟SLC對應的, SLC之外的NAND快閃記憶體都是MLC類型, 而我們常說的MLC是指2bit MLC.
每個cell單元存儲2bit資訊, 電壓有000,01,10,11四種變化, 所以它比SLC需要更複雜的的電壓控制, 加壓過程用時也變長, 意味著寫入性能降低了, 同時可靠性也下降了, P/E壽命根據不同製程在3000-5000次不等, 有的還更低.
TLC: 也就是Trinary-Level Cell了, 準確來說是 3bit MLC , 每個cell單元存儲3bit資訊, 電壓從000到111有8種變化, 容量比MLC再次增加1/3, 成本更低, 但是架構更複雜, P/E編程時間長, 寫入速度慢, P/E壽命也降至1000-3000次, 部分情況會更低.
現在上市的QLC則是Quad-Level Cell, 或者叫 4bit MLC , 電壓從0000到1111有16種變化, 容量增加了33%, 但是寫入性能, P/E壽命會再次減少.
怎麼理解這些技術變化? 我們可以舉個簡單的例子, 把NAND快閃記憶體當成大學的宿舍, SLC快閃記憶體相當於博士宿舍, 往往是單人間, 所以成本高, 但是博士能做的工作也更好, 而MLC快閃記憶體就是碩士宿舍, 兩個人一間, 成本是降低了不少, 不過碩士做研究自然是不如博士的.
TLC則是3人間的大學宿舍, QLC則是4人間的宿舍, 可能還是非熱門專業的學渣聚集在一起, 戰鬥力比起前面的三種要差很多, 不過好歹也是大學生.
QLC快閃記憶體與TLC快閃記憶體性能對比, 寫入性能進一步下降
具體到性能上, 美光做過詳細解讀, 首先讀取速度沒比TLC快閃記憶體差多少, SATA介面中兩者都可以達到540MB/s速度, QLC快閃記憶體主要差在寫入速度上, 因為它天生的P/E編程時間就比MLC, TLC更長, 速度更慢, 連續寫入速度從520MB/s降至360MB/s, 隨機性能更是從9500 IOPS降至5000 IOPS, 損失將近一半.
同時MTTF無故障間隔時間也從300萬小時降至200萬小時, 性能, 可靠性下降是沒跑了.
23D堆棧技術加持, QLC快閃記憶體遇到了好時候 3D堆棧技術加持, QLC快閃記憶體遇到了好時候
正如TLC快閃記憶體剛問世時遭遇的考驗一樣, 性能, 可靠性下降是QLC快閃記憶體必然的缺點, 我們應該對QLC快閃記憶體感到擔憂嗎, 或者說排斥QLC快閃記憶體?
直覺上應該是這樣, 但是我們也要了解一點——如今的NAND快閃記憶體早進入3D NAND時代了, 跟2D NAND時代不一樣了, 而3D NAND時代的QLC快閃記憶體也不同於2D NAND時代的QLC快閃記憶體, 這是雙方技術路線決定的.
在2D NAND快閃記憶體時代, 廠商為了追求NAND容量提升, 需要不斷提升NAND製程工藝, 所以NAND前幾年從50nm不斷進入30nm, 20nm以及10nm時代.
這好比處理器工藝不斷升級一樣, 好處是提高了晶體管密度, 提升了NAND容量, 降低了成本, 但是NAND工藝提升意味著也使得用於阻擋電子的二氧化矽層越來越薄, 導致可靠性變差, 而MLC, TLC, QLC快閃記憶體穿越二氧化矽層的頻率逐級升高, 也會導致氧化層變薄, 這就是P/E壽命不斷降低的原因.
但在3D NAND時代, 提升NAND容量靠的不是微縮製程工藝了, 而是靠堆棧的層數, 所以工藝變得不重要了, NAND廠商甚至可以使用之前的工藝, 比如三星最初的3D NAND快閃記憶體使用的還是40nm工藝, 可靠性要比20nm, 10nm級工藝高得多.
也正因為此, QLC快閃記憶體獲得了TLC不一樣的待遇, TLC快閃記憶體剛問世時還是2D NAND快閃記憶體時代, 所以遭遇了諸多壽命, 性能上的考驗, 最初發布的TLC快閃記憶體P/E壽命只有100-150次, 完全不能看, 但美光, 英特爾推出的QLC快閃記憶體直接使用3D NAND技術, P/E壽命達到了1000次, 完全不輸現在的3D TLC快閃記憶體.
大家可能沒注意到, 這次首發的5210 ION硬碟是給企業級市場使用的, 而非消費級市場, 前者對可靠性的要求比消費級市場更高, 英特爾, 美光這麼做說明對QLC快閃記憶體的壽命, 可靠性有信心.
此外, P/E壽命也不是不變的, 隨著NAND技術的進步, 糾錯技術的改良, P/E壽命是會提升的, TLC快閃記憶體就從之前的不足500次逐漸提升到了1000次或者更高水平, 可靠性已經經過驗證了, QLC同樣也會如此.
存儲需求已經變了, 超大容量SSD時代即將到來
QLC快閃記憶體的問世有NAND廠商不斷降低成本的需要, 但這個問題從根本上來說是現在市場的需求正在改變, 我們通常認為的存儲需求是記憶體, SSD及HDD而已, 性能逐級降低, 容量逐級升高.
但是現在記憶體與SSD之間又多了一個SCM (系統級存儲) , 英特爾前幾天發布的NVDIMM記憶體就是這種, 它的性能比DDR4低, 但高於SSD硬碟, 同時斷電也不損失數據.
SSD與HDD之間也會多出一個層級, 那就是超大容量SSD, TB級都是起步水平, 未來容量達到10TB也是小菜一碟, 不過這個超大容量SSD的性能是比不過現有MLC, TLC快閃記憶體硬碟的, 它的目標是HDD硬碟.
沒錯, QLC快閃記憶體一旦大規模量產, 用它做的SSD硬碟寫入速度可能也就是200-300MB/s左右, 但是5000+的隨機寫入性能依然遠高於HDD硬碟, 同時容量可達10-100TB級別.
東芝此前在發布QLC快閃記憶體時就給我們描繪了這樣一個未來, 100TB容量的QLC快閃記憶體SSD性能跟12台8TB HDD硬碟組成的陣列差不多, 都是3000MB/s, 但是50K IOPS隨機性能遠勝於HDD陣列, 同時0.1W的待機功耗也遠低於HDD陣列的96W, 這也是英特爾, 美光首先在企業級市場發布QLC快閃記憶體的原因, 在這部分需求上QLC硬碟硬碟是完勝HDD硬碟.
美光之前預測2021年時SSD平均容量可達597GB, 聽上去並不高, 但是他們還預測到時候每個PC用戶平均會用4個SSD硬碟, 這不是說我們買4個容量600GB的SSD, 更可能是這樣一種組合——480/512GB的MLC或者QLC硬碟做主盤, 安裝系統及常用軟體.
同時會有2TB甚至4TB的QLC快閃記憶體SSD硬碟做倉庫盤, 保存電影或者遊戲, 這種場合下讀取速度居多, 寫入速度非常少, 可以完美髮揮QLC硬碟的優點而避開寫入性能不強的缺點.
總結:
QLC快閃記憶體的時代已經來了, 除了美光, 英特爾首發QLC硬碟之外, 東芝, 西數的QLC快閃記憶體也開始少量出貨了, 三星, SK Hynix的QLC快閃記憶體也在路上, 只是沒有高調公開而已.
大家對QLC快閃記憶體的擔心很正常, 畢竟原理上來說QLC快閃記憶體就要比MLC甚至TLC要差一些, 但是3D NAND時代的QLC快閃記憶體在可靠性上跟2D NAND時代的TLC, QLC完全不同, P/E壽命不是問題, 不會比TLC快閃記憶體差到哪裡去.
QLC快閃記憶體最大的誘惑就是未來容量更大, 案頭市場上普及10TB容量就要靠它了, 企業級市場甚至會做到100TB容量, 完全不輸HDD硬碟, 同時QLC硬碟的連續性能, 隨機性能更完勝HDD硬碟, 功耗, 噪音等方面同樣沒有可比性, 是真正可能取代HDD硬碟的選擇.
