基于NAND閃存的SSD硬盤(pán)如今越來(lái)越被人接受，成為裝機(jī)必選配件之一，HDD機(jī)械盤(pán)越來(lái)越不受寵，如果不是過(guò)去兩年存儲(chǔ)芯片經(jīng)歷了一次長(zhǎng)達(dá)兩年的漲價(jià)，2018年市場(chǎng)上應(yīng)該可以普及480-512GB的SSD了，人們對(duì)SSD容量的需求也越來(lái)越大，繼TLC統(tǒng)治SSD市場(chǎng)之后，QLC閃存也閃亮登場(chǎng)了。
去年7月份東芝公司就率先宣布了QLC閃存，核心容量768Gb，創(chuàng)造了NAND容量新紀(jì)錄，今年5月底美光、英特爾也宣布了自家的QLC閃存，并且推出了新的5210 ION系列硬盤(pán)，正式商業(yè)化QLC閃存技術(shù)，可它的到來(lái)卻讓很多人充滿懷疑，不少讀者都在質(zhì)疑QLC閃存的性能及可靠性，甚至認(rèn)為這是一種倒退，那么實(shí)情到底如何呢？
在了解QLC閃存之前，我們首先簡(jiǎn)單介紹下NAND閃存中不同類(lèi)型到底都有哪些區(qū)別及優(yōu)缺點(diǎn)吧。
NAND閃存基本原理：QLC容量大，但性能也變差了
NAND閃存是靠存儲(chǔ)單元能多少位信息然后施加不同電壓才實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)的，很多人都知道NAND閃存有SLC、MLC及TLC之分，現(xiàn)在又多了QLC閃存，那么它們之間到底有多少區(qū)別呢？
SLC：全稱Single-Level Cell，每個(gè)Cell單元存儲(chǔ)1bit信息，也就是只有0、1兩種電壓變化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電壓控制也快速，反映出來(lái)的特點(diǎn)就是壽命長(zhǎng)，性能強(qiáng)，P/E壽命在1萬(wàn)到10萬(wàn)次之間，但缺點(diǎn)就是容量低，成本高，畢竟一個(gè)Cell單元只能存儲(chǔ)1bit信息。
MLC：全稱是Multi-Level Cell，它實(shí)際上是跟SLC對(duì)應(yīng)的，SLC之外的NAND閃存都是MLC類(lèi)型，而我們常說(shuō)的MLC是指2bit MLC。
每個(gè)cell單元存儲(chǔ)2bit信息，電壓有000,01,10,11四種變化，所以它比SLC需要更復(fù)雜的的電壓控制，加壓過(guò)程用時(shí)也變長(zhǎng)，意味著寫(xiě)入性能降低了，同時(shí)可靠性也下降了，P/E壽命根據(jù)不同制程在3000-5000次不等，有的還更低。
TLC：也就是Trinary-Level Cell了，準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是3bit MLC，每個(gè)cell單元存儲(chǔ)3bit信息，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(gòu)更復(fù)雜，P/E編程時(shí)間長(zhǎng)，寫(xiě)入速度慢，P/E壽命也降至1000-3000次，部分情況會(huì)更低。
現(xiàn)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(xiě)入性能、P/E壽命會(huì)再次減少。
怎么理解這些技術(shù)變化？我們可以舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，把NAND閃存當(dāng)成大學(xué)的宿舍，SLC閃存相當(dāng)于博士宿舍，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閃存就是碩士宿舍，兩個(gè)人一間，成本是降低了不少，不過(guò)碩士做研究自然是不如博士的。
TLC則是3人間的大學(xué)宿舍，QLC則是4人間的宿舍，可能還是非熱門(mén)專業(yè)的學(xué)渣聚集在一起，戰(zhàn)斗力比起前面的三種要差很多，不過(guò)好歹也是大學(xué)生。
QLC閃存與TLC閃存性能對(duì)比，寫(xiě)入性能進(jìn)一步下降
具體到性能上，美光做過(guò)詳細(xì)解讀，首先讀取速度沒(méi)比TLC閃存差多少，SATA接口中兩者都可以達(dá)到540MB/s速度，QLC閃存主要差在寫(xiě)入速度上，因?yàn)樗焐腜/E編程時(shí)間就比MLC、TLC更長(zhǎng)，速度更慢，連續(xù)寫(xiě)入速度從520MB/s降至360MB/s，隨機(jī)性能更是從9500 IOPS降至5000 IOPS，損失將近一半。
同時(shí)MTTF無(wú)故障間隔時(shí)間也從300萬(wàn)小時(shí)降至200萬(wàn)小時(shí)，性能、可靠性下降是沒(méi)跑了。
23D堆棧技術(shù)加持，QLC閃存遇到了好時(shí)候3D堆棧技術(shù)加持，QLC閃存遇到了好時(shí)候
正如TLC閃存剛問(wèn)世時(shí)遭遇的考驗(yàn)一樣，性能、可靠性下降是QLC閃存必然的缺點(diǎn)，我們應(yīng)該對(duì)QLC閃存感到擔(dān)憂嗎，或者說(shuō)排斥QLC閃存？
直覺(jué)上應(yīng)該是這樣，但是我們也要了解一點(diǎn)——如今的NAND閃存早進(jìn)入3D NAND時(shí)代了，跟2D NAND時(shí)代不一樣了，而3D NAND時(shí)代的QLC閃存也不同于2D NAND時(shí)代的QLC閃存，這是雙方技術(shù)路線決定的。
在2D NAND閃存時(shí)代，廠商為了追求NAND容量提升，需要不斷提升NAND制程工藝，所以NAND前幾年從50nm不斷進(jìn)入30nm、20nm以及10nm時(shí)代。
這好比處理器工藝不斷升級(jí)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于阻擋電子的二氧化硅層越來(lái)越薄，導(dǎo)致可靠性變差，而MLC、TLC、QLC閃存穿越二氧化硅層的頻率逐級(jí)升高，也會(huì)導(dǎo)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(shí)代，提升NAND容量靠的不是微縮制程工藝了，而是靠堆棧的層數(shù)，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閃存使用的還是40nm工藝，可靠性要比20nm、10nm級(jí)工藝高得多。
也正因?yàn)榇�，QLC閃存獲得了TLC不一樣的待遇，TLC閃存剛問(wèn)世時(shí)還是2D NAND閃存時(shí)代，所以遭遇了諸多壽命、性能上的考驗(yàn)，最初發(fā)布的TLC閃存P/E壽命只有100-150次，完全不能看，但美光、英特爾推出的QLC閃存直接使用3D NAND技術(shù)，P/E壽命達(dá)到了1000次，完全不輸現(xiàn)在的3D TLC閃存。
大家可能沒(méi)注意到，這次首發(fā)的5210 ION硬盤(pán)是給企業(yè)級(jí)市場(chǎng)使用的，而非消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)，前者對(duì)可靠性的要求比消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)更高，英特爾、美光這么做說(shuō)明對(duì)QLC閃存的壽命、可靠性有信心。
此外，P/E壽命也不是不變的，隨著NAND技術(shù)的進(jìn)步、糾錯(cuò)技術(shù)的改良，P/E壽命是會(huì)提升的，TLC閃存就從之前的不足500次逐漸提升到了1000次或者更高水平，可靠性已經(jīng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證了，QLC同樣也會(huì)如此。
存儲(chǔ)需求已經(jīng)變了，超大容量SSD時(shí)代即將到來(lái)
QLC閃存的問(wèn)世有NAND廠商不斷降低成本的需要，但這個(gè)問(wèn)題從根本上來(lái)說(shuō)是現(xiàn)在市場(chǎng)的需求正在改變，我們通常認(rèn)為的存儲(chǔ)需求是內(nèi)存、SSD及HDD而已，性能逐級(jí)降低，容量逐級(jí)升高。
但是現(xiàn)在內(nèi)存與SSD之間又多了一個(gè)SCM（系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)），英特爾前幾天發(fā)布的NVDIMM內(nèi)存就是這種，它的性能比DDR4低，但高于SSD硬盤(pán)，同時(shí)斷電也不損失數(shù)據(jù)。
SSD與HDD之間也會(huì)多出一個(gè)層級(jí)，那就是超大容量SSD，TB級(jí)都是起步水平，未來(lái)容量達(dá)到10TB也是小菜一碟，不過(guò)這個(gè)超大容量SSD的性能是比不過(guò)現(xiàn)有MLC、TLC閃存硬盤(pán)的，它的目標(biāo)是HDD硬盤(pán)。
沒(méi)錯(cuò)，QLC閃存一旦大規(guī)模量產(chǎn)，用它做的SSD硬盤(pán)寫(xiě)入速度可能也就是200-300MB/s左右，但是5000+的隨機(jī)寫(xiě)入性能依然遠(yuǎn)高于HDD硬盤(pán)，同時(shí)容量可達(dá)10-100TB級(jí)別。
東芝此前在發(fā)布QLC閃存時(shí)就給我們描繪了這樣一個(gè)未來(lái)，100TB容量的QLC閃存SSD性能跟12臺(tái)8TB HDD硬盤(pán)組成的陣列差不多，都是3000MB/s，但是50K IOPS隨機(jī)性能遠(yuǎn)勝于HDD陣列，同時(shí)0.1W的待機(jī)功耗也遠(yuǎn)低于HDD陣列的96W，這也是英特爾、美光首先在企業(yè)級(jí)市場(chǎng)發(fā)布QLC閃存的原因，在這部分需求上QLC硬盤(pán)硬盤(pán)是完勝HDD硬盤(pán)。
美光之前預(yù)測(cè)2021年時(shí)SSD平均容量可達(dá)597GB，聽(tīng)上去并不高，但是他們還預(yù)測(cè)到時(shí)候每個(gè)PC用戶平均會(huì)用4個(gè)SSD硬盤(pán)，這不是說(shuō)我們買(mǎi)4個(gè)容量600GB的SSD，更可能是這樣一種組合——480/512GB的MLC或者QLC硬盤(pán)做主盤(pán)，安裝系統(tǒng)及常用軟件。
同時(shí)會(huì)有2TB甚至4TB的QLC閃存SSD硬盤(pán)做倉(cāng)庫(kù)盤(pán)，保存電影或者游戲，這種場(chǎng)合下讀取速度居多，寫(xiě)入速度非常少，可以完美發(fā)揮QLC硬盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)而避開(kāi)寫(xiě)入性能不強(qiáng)的缺點(diǎn)。
總結(jié)：
QLC閃存的時(shí)代已經(jīng)來(lái)了，除了美光、英特爾首發(fā)QLC硬盤(pán)之外，東芝、西數(shù)的QLC閃存也開(kāi)始少量出貨了，三星、SK Hynix的QLC閃存也在路上，只是沒(méi)有高調(diào)公開(kāi)而已。
大家對(duì)QLC閃存的擔(dān)心很正常，畢竟原理上來(lái)說(shuō)QLC閃存就要比MLC甚至TLC要差一些，但是3D NAND時(shí)代的QLC閃存在可靠性上跟2D NAND時(shí)代的TLC、QLC完全不同，P/E壽命不是問(wèn)題，不會(huì)比TLC閃存差到哪里去。
QLC閃存最大的誘惑就是未來(lái)容量更大，桌面市場(chǎng)上普及10TB容量就要靠它了，企業(yè)級(jí)市場(chǎng)甚至?xí)龅?00TB容量，完全不輸HDD硬盤(pán)，同時(shí)QLC硬盤(pán)的連續(xù)性能、隨機(jī)性能更完勝HDD硬盤(pán)，功耗、噪音等方面同樣沒(méi)有可比性，是真正可能取代HDD硬盤(pán)的選擇。
