大勢所趨QLC閃存是否值得重用

NAND閃存分類

我們都知道，目前NAND閃存可以分為SLC、MLC、TLC、QLC四種架構(gòu)的存儲顆粒，它們的性能與可靠性依次降低。其中，SLC閃存的每個(gè)Cell單元只能存放1bit數(shù)據(jù)，也就是電壓只有0和1兩種變化，由于結(jié)構(gòu)簡單，使得SLC閃存擁有超過10萬次的可擦寫壽命（P/E次數(shù)）和更好的性能。

MLC、TLC和QLC閃存的每個(gè)Cell單元分別可以存放2bit、3bit和4bit數(shù)據(jù)。以QLC閃存為例，雖然它在相同單元數(shù)量下可以做出4倍于SLC的容量（電壓狀態(tài)），但由于它的電壓變化高達(dá)16種（2的4次方），管理起來愈發(fā)困難，導(dǎo)致其讀寫速度大幅下降，可擦寫壽命也驟降至不足1000次（圖1）。因此，作為QLC的接班人，每個(gè)Cell單元可以存放5bit數(shù)據(jù)的PLC閃存，哪怕它可以幫助SSD進(jìn)一步擴(kuò)容并降低成本，但其可靠性就更加令人難以放心了。

那么，對SSD來說成本、容量與可靠性就真的難以兼顧嗎？通過英特爾2021年主打的670P SSD（QLC閃存顆粒），我們不難找出想要的答案。

QLC如何逆天改命

提起英特爾，很多朋友可能只知道這是一家專業(yè)的處理器制造商。實(shí)際上，英特爾在閃存技術(shù)的研發(fā)方面也有著超過30年的歷史，早在20世紀(jì)80年代中期就開始進(jìn)軍NOR閃存，并在2005年左右揮師應(yīng)用更廣泛的NAND閃存戰(zhàn)場，參與見證了從6 5 nm→1x nm工藝、2DNAND→3D NAND、SLC→QLC在內(nèi)的各種技術(shù)迭代（圖2）。

3D NAND技術(shù)

想要彌補(bǔ)SLC→QLC閃存架構(gòu)變遷過程中，在性能和可靠性方面的損失，最有效的方法就是提高單位面積的容量。于是，3D NAND堆疊技術(shù)便出現(xiàn)了。

簡單來說，傳統(tǒng)的2D NAND只有平面上的2個(gè)維度，單位面積就那么大，想要提升容量只能指望制程工藝的升級。而3D NAND則可以像搭積木一樣，將無數(shù)個(gè)2D NAND一層層的堆起來（圖3），此時(shí)再結(jié)合更先進(jìn)的制程工藝，可以在單位面積堆起摩天大廈，從而實(shí)現(xiàn)更高的存儲密度以及更高的可靠性。

英特爾在2016年便搞定了第一代3DNAND技術(shù)，可以進(jìn)行32層的堆疊。2017年，英特爾發(fā)布了使用第二代3DNAND技術(shù)，可進(jìn)行64層堆疊的QLC顆粒，存儲密度增加了133%，并于第二年（2018）實(shí)現(xiàn)QLCSSD的量產(chǎn)上市。隨后，2019年的96層第三代3DNANDQLC進(jìn)一步將存儲密度提升了50%，2021年最新發(fā)布的144層第四代3DNANDQLC再度提升了50%的存儲密度，較之第一代3DNAND翻了數(shù)倍（圖4）。

就大家最關(guān)心的閃存可擦寫壽命，這個(gè)P/E次數(shù)也不是一成不變的，它會隨著算法、技術(shù)和NAND的優(yōu)化升級而不斷增加的。多年前東芝QLC試驗(yàn)中的P/E次數(shù)只有500次，但實(shí)際量產(chǎn)QLC的P/E次數(shù)卻可達(dá)1000次。同理，隨著垃圾回收、TRIM、壞塊管理、錯(cuò)誤糾正等技術(shù)和功能的引入，QLCSSD的可靠性也會不斷轉(zhuǎn)好。以英特爾670P為例，其512GB容量版本的耐用性已經(jīng)達(dá)到了185TBW，雖然依舊不如同容量高端TLCSSD的300TBW，但較之消費(fèi)者最早的預(yù)期已經(jīng)有了巨大的提升。

垂直浮柵閃存結(jié)構(gòu)

前文我們提到了，每個(gè)單元可保存4bit的QLC擁有16種電壓狀態(tài)，未來的PLC更是擁有高達(dá)32種電壓狀態(tài)，后者在如何保持?jǐn)?shù)據(jù)穩(wěn)定性、持久性面臨更大的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，英特爾的方法是優(yōu)化閃存的底層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

簡單來說，英特爾的3D NAND閃存一直都在走浮動(dòng)?xùn)艠O（FG）結(jié)構(gòu)+陣列下CMOS設(shè)計(jì)（CuA）的路線。而其他友商的3D NAND閃存則多為替換柵極結(jié)構(gòu)，或者說電荷擷取閃存結(jié)構(gòu)（CTF）路線。通過對比來看，英特爾浮動(dòng)?xùn)艠O的Cell單元是均衡的，擁有更緊密、對稱的堆棧層，沒有額外單元開銷，而友商的替換柵極則會浪費(fèi)一些空間，從而影響Cell單元的堆疊效率以及密度（圖5）。從英特爾給出的數(shù)據(jù)來看看，英特爾3 DNAND的面存儲密度可以高出最多10%，每塊晶圓可以切割出更多容量，成本也能得到更好控制。

為了提升可靠性，英特爾3 DNAND閃存還采用了垂直浮動(dòng)?xùn)艠O單元技術(shù)，它通過浮動(dòng)?xùn)艠O技術(shù)存儲電子路徑，不同的Cell單元之間都是分離的，可最大限度降低單元之間的干擾，更好地防御漏電（圖6）。與此同時(shí)，英特爾還利用離散電荷存儲節(jié)點(diǎn)，具備良好的編程/擦除閾值電壓窗口，可以有效保障存儲單元之間穩(wěn)定的電荷隔離，以及完整的數(shù)據(jù)保留（圖7）。

隨著SLC→QLC閃存單元從可存儲bit以及電壓狀態(tài)的增加，它們的“讀取窗口”也會越來越小，從而降低讀取準(zhǔn)確性，一不小心就會分不清到底是1還是0，最終會影響到可靠性上。英特爾3DNAND閃存主打的FG浮動(dòng)?xùn)艠O結(jié)構(gòu)，較之CTF電荷擷取閃存結(jié)構(gòu)，在長時(shí)間使用過程中的電荷損失程度更小，哪怕FG結(jié)構(gòu)在5年后的電荷保留程度都堪比CTF結(jié)構(gòu)在5年前的初始狀態(tài)（圖8）。

未來PLC閃存的讀取窗口將更進(jìn)一步收窄，將對電荷損失的控制力度提出更高要求，而這恰好就是英特爾3D NAND技術(shù)所擅長的。

理性看待QLC SSD

回到英特爾最新推出的670P系列身上，這款QLC SSD定位于桌面、筆記本的日常計(jì)算、辦公、內(nèi)容創(chuàng)作、主流游戲場景，采用標(biāo)準(zhǔn)的M.2 2280接口形態(tài)，PCIe 3.0×4通道并支持NVMe協(xié)議，容量可選512GB、1TB、2TB，單面設(shè)計(jì)的兼容性更好。其順序讀寫最高可達(dá)3.5GB/s、2.7GB/s，對比上代同樣采用QLC閃存的660PSSD分別提升了94%和50%，隨機(jī)讀寫有了大幅提升（圖9）。需要注意的是，無論是670P還是其他TLC和QLC SSD，它們的標(biāo)稱性能其實(shí)都來自SLC緩存的讀寫。

英特爾670P系列SSD的SLC緩存包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。其中，其靜態(tài)SLC緩存恒定不變，動(dòng)態(tài)SLC緩存則會根據(jù)總?cè)萘?、可用容量而智能調(diào)整，相比上代增大了最多11%（圖10）。具體來說，512GB版的670P靜態(tài)緩存6GB+動(dòng)態(tài)緩存最多64GB=70GB;1TB、2TB則是最多12GB+128GB=140GB、24GB+256GB=280GB。

換句話說，英特爾670P在SLC緩存容量以內(nèi)的讀寫速度表現(xiàn)并不遜于同價(jià)位的TLCS S D，但在緩?fù)鈱懭胨俣确矫鎰t會出現(xiàn)比TLC SSD更大的斷崖式下降，因此購買該系列或其他QLC SSD的用戶切忌將硬盤填滿，每個(gè)硬盤分區(qū)都要留出15%以上的剩余空間。在預(yù)算允許時(shí)，最好一步到位，挑選1TB容量起步的型號，從而獲得足夠的SLC緩存冗余。

EVO是英特爾針對第11代酷睿（移動(dòng)版）制定的高端認(rèn)證平臺，而670P SSD則是該平臺的推薦組件之一，這也從側(cè)面證明了其性能與可靠性，為QLC SSD正名（圖11）。

實(shí)際上，從近10年閃存發(fā)展的歷程來看，SLC→MLC→TLC→QLC雖然它們在技術(shù)層面的（相對）性能下降了，但是絕對性能卻是在不斷增長的—— 最新的Q LCSSD無疑可以秒殺最早的SLC SSD。時(shí)至今日，別說SLC了，采用MLC閃存的SSD也變得鳳毛麟角，哪怕是三星980 PRO這種旗艦級SSD，也開始倒戈TLC。隨著時(shí)間的推移，QLC取代TLC也是大概率事件。

以英特爾670P為代表的QLC SSD之所以還沒被市場接受，是因?yàn)樗鼪]有達(dá)成消費(fèi)者的心理預(yù)期——理論上QLC較之TLC的成本更低，但同容量QLC S SD的價(jià)格卻沒能與TLC SSD拉開差距，在價(jià)格相近時(shí)，大家為什么不選擇更可靠的TLC？