【導(dǎo)讀】今天，TLC依然為SSD/嵌入式存儲(chǔ)中的主力NAND顆粒，但QLC開(kāi)始登上舞臺(tái)，發(fā)起挑戰(zhàn)，和2016年那時(shí)的自己相比，QLC實(shí)力大增。NAND家族，從老大SLC開(kāi)始，到老二MLC和老三TLC，再到今天的老四QLC NAND，發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，克服自身不足，一代代傳承下來(lái)，扛起家族事業(yè)的重任。
2005年Apple iPod第一次使用了NAND介質(zhì)來(lái)取代HDD作為存儲(chǔ)設(shè)備，彼時(shí)的NAND還是SLC介質(zhì)，開(kāi)啟了NAND作為電子產(chǎn)品主要存儲(chǔ)介質(zhì)序幕的開(kāi)端。
2006年，第一款某牌SLC SSD正式零售；不到兩年，由于MLC本身穩(wěn)定性足夠好，2008年就有了某牌MLC與SLC SSD并行發(fā)售；2012年，首款TLC SSD面世（彼時(shí)還是2D NAND），2015年TLC顆粒在爭(zhēng)議中成長(zhǎng)，日漸成熟，成為SSD廠商眼中最佳解決方案的存儲(chǔ)顆粒，SSD NAND介質(zhì)從MLC到TLC，用了5到7年；2016年，首批QLC SSD面世（3D NAND）；
2022年，PLC demo樣品在FMS峰會(huì)上首現(xiàn)，某大廠開(kāi)始談?wù)揌LC NAND，包括使用了液氮冷卻操作條件，但這些都還只是在實(shí)驗(yàn)室階段。
今天，TLC依然為SSD/嵌入式存儲(chǔ)中的主力NAND顆粒，但QLC開(kāi)始登上舞臺(tái)，發(fā)起挑戰(zhàn)，和2016年那時(shí)的自己相比，QLC實(shí)力大增。NAND家族，從老大SLC開(kāi)始，到老二MLC和老三TLC，再到今天的老四QLC NAND，發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，克服自身不足，一代代傳承下來(lái)，扛起家族事業(yè)的重任。
NAND發(fā)展史及擴(kuò)容方法
自1987年NAND被發(fā)明以來(lái)，無(wú)論是2D還是3D時(shí)代，推動(dòng)NAND技術(shù)發(fā)展的核心推動(dòng)力是提升性能、提高壽命、提升可靠性、增加存儲(chǔ)密度及降低每GB成本。而實(shí)現(xiàn)增加存儲(chǔ)密度及降低每GB成本，靠的是NAND的擴(kuò)容，主要的手段如下圖：
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
Logical Scaling：邏輯擴(kuò)展是用NAND比特位擴(kuò)展來(lái)提升存儲(chǔ)密度的方法，如SLC->PLC。
Vertical Scaling：意思是在Z方向上增加3D NAND層數(shù)。Vertical Scaling是3D NAND當(dāng)前增加存儲(chǔ)密度最重要的方法，但層數(shù)越高，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的挑戰(zhàn)也越大。
Lateral Scaling：3D NAND在2D平面空間XY如何微縮以達(dá)到增加存儲(chǔ)密度的方法。
Architecture Scaling：CMOS和Array如何進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，如CUA、CBA等架構(gòu)。
本文我們主要看看邏輯擴(kuò)展方法，NAND Cell單元從可以存儲(chǔ)1個(gè)比特到2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)比特，相當(dāng)于容量從1X提升到2X、3X、4X，是一種不需要改變NAND Die的物理設(shè)計(jì)而達(dá)到容量倍增的好方法。當(dāng)前，4X存儲(chǔ)容量的QLD NAND已商用量產(chǎn)多年，基本成熟和穩(wěn)定。
NAND容量大幅增長(zhǎng)，不僅可以給用戶帶來(lái)購(gòu)買每GB成本的快速下降，而且也為大容量應(yīng)用例如SSD提供了一個(gè)絕佳方法。因此，SSD容量從2007年32GB的小可愛(ài)，到如今消費(fèi)級(jí)SSD可以提供高達(dá)8T容量，企業(yè)級(jí)甚至可以提供高達(dá)256TB容量的巨獸。
當(dāng)然，從SLC到QLC的轉(zhuǎn)變，NAND犧牲了性能、壽命及某些條件下可靠性等NAND指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，隨著NAND設(shè)計(jì)和制造工藝的提升，配合系統(tǒng)層面控制器和固件糾錯(cuò)能力、算法的提升，基本上已經(jīng)讓QLC NAND變得可用和好用。
NAND家的幾兄弟
從量產(chǎn)和出生時(shí)間來(lái)看，NAND家有四兄弟，老大SLC老二MLC老三TLC和老四QLC，各個(gè)兄弟在不同時(shí)間出生，脾性不同（如下圖），在不同時(shí)期輪番上陣，為家族事業(yè)奮斗拼搏，發(fā)揮各自能力，扛起了家族重任。
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)
SLC NAND（高性能、高壽命、容量低、價(jià)格最貴）
作為家中長(zhǎng)子，老大SLC NAND的每個(gè)單元存儲(chǔ)一位比特，0或1，寫入和讀取數(shù)據(jù)都很快，性能最佳，提供高達(dá)10萬(wàn)個(gè)P/E周期，壽命最高，但密度最低，老大SLC閃存每GB價(jià)格最貴。作為家中長(zhǎng)子，老大SLC曾經(jīng)是家族中唯一之選。如今性能和壽命最強(qiáng)的SLC在對(duì)寫和耐久度要求很高的行業(yè)得以應(yīng)用。目前老大已交棒，原生SLC NAND在原廠中產(chǎn)能分配極低，但各家原廠開(kāi)放TLC和QLC顆粒接口，讓用戶可以將其配置成pSLC模式使用，享受SLC顆粒類似的性能和壽命。
MLC NAND（較高性能、較高壽命、容量低、較高價(jià)格）
老二MLC NAND每個(gè)單元存儲(chǔ)二位比特，數(shù)據(jù)密度是SLC的2倍，提供高達(dá)10000 P/E周期，壽命是SLC的1/10。憑借較高性能和較高壽命，老二MLC在服務(wù)器、工規(guī)級(jí)應(yīng)用較多。
TLC NAND（性能、壽命、容量和價(jià)格，最優(yōu)平衡的顆粒）
老三TLC NAND每個(gè)單元存儲(chǔ)3個(gè)比特，P/E周期降至MLC的1/3。老三TLC較老二MLC在數(shù)據(jù)密度上提升了50%，因此價(jià)格變得比MLC要便宜。憑借“足夠用”的壽命和性能，目前在消費(fèi)級(jí)SSD、eMMC、UFS等產(chǎn)品中，采用TLC是最優(yōu)平衡的存儲(chǔ)方案，性能、壽命、價(jià)格、容量等多個(gè)方面達(dá)到了較好的平衡。
QLC NAND（性能、壽命、容量和價(jià)格，極致性價(jià)比的顆粒）
老四QLC NAND每個(gè)單元存儲(chǔ)4個(gè)比特，性能和耐久性比TLC要低。在QLC推出初期壽命為弱項(xiàng)，但隨著技術(shù)的提升目前壽命已經(jīng)接近主流TLC的水平。老四QLC較老三TLC在數(shù)據(jù)密度上提升了33%，因此價(jià)格更便宜。老四QLC自2015年出生，曾被消費(fèi)者詬病問(wèn)題有性能低、壽命低和可靠性較差，比較有爭(zhēng)議。到目前NAND閃存行業(yè)已迭代三到四代QLC NAND顆粒，壽命、性能和可靠性三個(gè)維度都做了全面的提升，老四在長(zhǎng)大，問(wèn)題孩子變得優(yōu)秀，在各項(xiàng)考試中取得接近TLC的成績(jī)，比如SSD跑分，憑借極致性價(jià)比優(yōu)勢(shì)開(kāi)始登上舞臺(tái)。
老四挑大梁
比起前三位大哥，老四QLC單元空間內(nèi)的存儲(chǔ)容量最高，價(jià)格最低。性能和壽命的不足卻可以通過(guò)相應(yīng)系統(tǒng)方案（比如SLC cache write）來(lái)彌補(bǔ)，未來(lái)有取代TLC成為消費(fèi)類產(chǎn)品的首選存儲(chǔ)顆粒。
技術(shù)上，以致態(tài)Ti600 SSD為例，我們看下老四QLC的潛力：
性能，消費(fèi)級(jí)QLC SSD會(huì)啟用SLC cache來(lái)Burst用戶的讀寫性能，基本可以做到PCIe 3.0和PCIe 4.0前端最高性能，基本同TLC SSD讀寫性能。
壽命，消費(fèi)級(jí)QLC NAND按1T容量SSD生命周期內(nèi)總寫入數(shù)據(jù)量TBW在400TB左右，完全滿足PC OEM和零售渠道類市場(chǎng)對(duì)SSD TBW的要求。
在性能、壽命和可靠性完全“夠用”的情況下，當(dāng)年老三TLC取代老大SLC和老二MLC走過(guò)的路，未來(lái)幾年老四QLC會(huì)重演，老四QLC憑借自身實(shí)力和不斷進(jìn)步的系統(tǒng)解決方案的配合，將扛起NAND家族的重任。
本文轉(zhuǎn)載自：長(zhǎng)江存儲(chǔ)系統(tǒng)解決方案
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