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固态硬盘SLC/MLC/TLC/QLC

Sherlock
2024-08-20 / 0 评论 / 0 点赞 / 18 阅读 / 6154 字 / 编辑
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本文最后更新于 2024-08-20,若内容或图片失效,请留言反馈。部分素材来自网络,若不小心影响到您的利益,请联系我们删除。

固态硬盘颗粒简直是一部“倒退式”发展史

SLC(单层存储单元)理论擦写次数10万次,MLC(双层存储单元)3000-10000次;TLC(三层存储单元)500-1000次;QLC(四层存储单元)仅仅150次

目前主流的应用解决方案为TLC
SLC和MLC主要针对军工,企业级等应用,有着高速写入,低出错率,长耐久度特性。
QLC、PLC坚决不能碰

对于 SSD 的发展趋势,提高存储密度、降低成本、提高主控纠错能力才是王道。

什么是 NAND?

NAND 是一种非易失性闪存,可在未连接电源时存储数据。断电后保留数据的能力使得 NAND 成为内置设备、外置设备和便携设备的理想选择。USB 闪存盘、固态硬盘和 SD 卡均利用闪存技术,为手机或数码相机等设备提供存储。

市场上存在多种类型的 NAND。简言之,不同类型之间的区别在于每个单元可以存储的位数。位代表电荷,电荷只能存储 0 和 1 两个值(代表开/关)中的一个。

各种 NAND 类型之间的关键区别在于成本、容量和耐久性。耐久性是由一个闪存单元在开始磨损前可以完成的程序擦除 (P/E) 周期数量决定的。一个 P/E 周期是指擦除和写入一个单元的过程,NAND 技术支持的 P/E 周期越多,设备的耐久性越高。

NAND 闪存的常见类型是 SLC、MLC、TLC 和 3D NAND。

SSD-NAND.jpg

NAND闪存由多个以(bit)为单位的单元构成,这些位通过电荷被打开或关闭,如何组织这些开关单元来储存在SSD上的数据,也决定了NAND闪存的命名,比如单层单元(SLC)闪存在每个存储单元中包含1个位。

由于SSD电路板规格具有行业标准尺寸,因此同样的单元物理空间下,多层单元(MLC)能使容量翻倍,三层单元(TLC)更能使容量变为三倍,基于这种发展,为SSD趋向大容量开辟了道路。

在性能、体积的优势基础上,NAND闪存目前发展的方向便是降低每比特存储成本、提高存储容量,因此就有了后来的四层单元(QLC),每个存储单元有4个bits的格式。

3D NAND

近十年来,3D NAND 是闪存市场最大创新之一。

3D NAND 旨在克服 2D NAND 在容量方面的限制。3D NAND 架构可在不牺牲数据完整性的情况下扩展到更高的密度,从而实现更多的存储容量。

与2D NAND不同,3D NAND使用多层垂直堆叠,以实现更高的密度,更低的功耗,更好的耐用性,更快的读/写速度以及更低的每千兆字节成本。

闪存制造商开发了 3D NAND 来解决缩小 2D NAND 时面临的问题,从而以更低成本实现更高密度。在 2D NAND 中,用于存储数据的单元水平并排放置。这意味着,可用于放置单元的空间量有限,试图缩小单元则会降低其可靠性。

因此,NAND 制造商决定在另一个维度叠放单元,从而促成纵向叠放单元的 3D NAND 的产生。更高存储密度可实现更高的存储容量,同时不会导致价格大幅上升。3D NAND 还提供更高的耐久度和更低功耗。

SSD-3D-NAND.jpeg

简单来说,之前的2D NAND是平面的架构,而3D NAND是立体的。用盖房子来解释,如果2D NAND闪存是平房,那3D NAND就是高楼大厦。

把存储单元立体化,这意味着每个存储单元的单位面积可以大幅下降,从而大幅提升闪存的存储容量。
理论上来讲NAND可以无限堆叠,但是由于技术和材料限制,目前大多数3D NAND是64层的。

3D NAND 缺点

每种技术达到一定瓶颈都会暴露出缺点,3D NAND会如同闪存从SLC发展到目前QLC一样,更多的状态的存储单元造成的结果就是出错率更高,必须要有更高效、纠错能力更强的主控技术进行支持,当3D NAND堆垒的层数越来越多同样会面临此类问题。

随着先进的工艺带来的更大的容量,3D NAND的可靠性和稳定性以及性能方面都在下降,因为工艺越先进,NAND的氧化层越薄,其可靠性也就越差,厂商就需要采取额外手段弥补这一问题,这必然会提高成本。

SLC

SLC(英文全称:Single-Level Cell,即1bit Cell),利用正、负两种电荷,在每一个浮动栅存储1个bit的信息,传统工艺模式下约10万次擦写寿命。读写速度最佳,寿命最长,价格最贵(SLC同容量下价格约为MLC的3~5倍);

  • 优点:
    • 读写速度最快的NAND闪存芯片规格。
    • 与任何其他类型的闪存相比,擦写寿命和读写循环的周期最长。
    • 读取/写入错误的发生几率更小,并可在跨度更大的温度范围内正常运行。
  • 缺点:
    • 市场上最昂贵的NAND闪存类型。
    • 通常只有较小的容量。
  • 建议使用对象: 需要大量读取/写入周期的工业级负载,例如服务器。

MLC

MLC(英文全称:Multi-Level Cell,即2bit/cell),利用不同电位的电荷,在每一个浮动栅存储2个bit的信息,传统工艺模式下约5000-10000次擦写寿命;

  • 优点:
    • 扩展的SSD的容量,也拥有合理的性价比。
    • 比TLC闪存表现更加稳定。
  • 缺点:
    • 不如SLC闪存那般耐用可靠。
  • 建议使用对象: 较频繁地使用计算机的用户或游戏玩家。

eMLC

eMLC(英文全称:Enterprise Multi-Level Cell)即企业多级单元。它是MLC NAND闪存的一个(寿命)强化版本,它在通过主控策略及对应的固件、驱动程序等弥补了SLC和MLC之间的性能和耐久差距。eMLC固态硬盘肯定比MLC的更贵,但对比SLC固态依然保持2倍以上的价格差距。尽管每个单元仍然存储2个Bit,但eMLC驱动器的控制器管理数据放置、磨损均衡和一些其他存储操作延长了eMLC SSD的使用寿命。传统工艺模式下约10000~50000次擦写寿命;

TLC

当前主流

TLC(英文全称:Trinary-Level Cell)即3bit/cell,利用不同电位的电荷,在每一个浮动栅存储3个bit的信息,传统工艺模式下约500-1000次擦写寿命。速度较MLC更慢,寿命更短,价格更为便宜。

  • 优点: 较低的生产成本开启了廉价大容量SSD市场。
  • 缺点:
    • 与SLC、MLC相比,TLC储存单元的擦写寿命要短得多。
    • 理论上读写速度与SLC、MLC相比最慢。
  • 建议使用对象: 对存储需求不大的轻度使用需求的计算机用户,比如只使用上网、邮件等简单功能的上网本、平板。

QLC

QLC(英文全称:Quad-Level Cell)即4bit/cell。利用不同电位的电荷,一个浮动栅存储4个bit的信息,传统工艺模式下约300-500次(一说150次)擦写寿命。速度更慢,寿命更短,价格更便宜。

  • 优点:
    • QLC总成本更低,进行存储时依靠更少驱动器来实现。
    • QLC还具有更多容量,储存密度高,从而获得更好的效益。
  • 缺点:与SLC、MLC相比,QLC的性能和写入寿命有所降低,但与TLC相当。
  • 建议使用对象: 比较适合把QLC SSD作为数据仓库的用户。

    如果你对数据存储量的需求较大、平时对计算机进行轻度使用(写入操作少)、或者追求较低价格,建议选用QLC。

PLC

PLC(英文全称:Penta-Level cell)即5bit/cell。利用不同电位的电荷,一个浮动栅存储5个bit的信息... ...

对比

1、生产成本上

SLC>MLC>TLC>QLC>PLC

2、读写速度上

SLC>MLC>TLC>QLC>PLC

3、在使用寿命上

SLC>MLC>TLC>QLC>PLC

4、按容量大小

PLC>QLC>TLC>MLC>SLC


我们计算一下使用寿命,以120G硬盘为例,假如每天写入10G数据,各个颗粒按照最低擦写次数计算,

slc理论寿命=120*100000/10=1200000天=3287.67年;

mlc理论寿命=120*3000/10=36000天=98.6年;

tlc理论寿命=120*500/10=6000天=16.44年;

qlc理论寿命=120*150/10=1800天=4.93年。

衡量 SSD 使用寿命的指标

MTBF 平均故障间隔时间

MTBF 是一种可靠性或故障率量化指标,用于预估 SSD 的耐久性。简单来说,它是两个故障点之间的时间间隔,以小时为单位表示。

借助几种统计外推技术,大多数面向消费者的 SSD 的平均无故障时间(MTBF)约为 100 万小时,而工业级 SSD 则为 200 万小时(平均 150 万小时)。如果将其转换成年份,则分别约为 114 年和 228 年。

TBW 写入总字节数

TBW 通常被称为总写入字节数,是大多数 SSD 制造商用来提供写入循环限制的一般概念规范。虽然听起来很简单,但实际上它是指 SSD 在其寿命内能够写入的总字节数。一旦达到 TBW 上限,理论上就不能在 SSD 中写入更多数据。但实际上仍可能继续写入,正如我们前面解释的那样,您的 SSD 会逐渐开始失效。

例如,如果 SSD 标称的 TBW 是 300TB,保修期为 10 年,这意味着(理论上)在 10 年内可以将 300TB 的数据写入 SSD 中。

DWPD 每日磁盘写入次数

DWPD 是另一个耐久度指标,主要用于企业级 SSD。与 TBW 不同,DWPD 确定用户在保修期内每天可以重写驱动器的次数。

以下是快速计算 DWPD 的公式:

DWPD = TBW ÷ 保修期天数

检查工具

例如:CrystalDiskInfo、Hard Disk Sentinel 和 HDDScan 等。


参考:https://www.sysgeek.cn/ssd-lifespan/

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