写入不掉速！比SLC还要快的X-NAND QLC闪存究竟怎么做到的？

从SLC、MLC一路发展到TLC和QLC，NAND闪存的写入性能正以肉眼可见的速度快速降低。如果不是有SLC缓存遮羞，固态硬盘的写入速度恐怕要比几年前4倍甚至更多。

固态硬盘在变得便宜的同时，读写速度也在不断恶化，对于追求高性能的玩家来说很难接受。硅谷企业NEO Semiconductor研发的X-NAND技术或将成为NAND闪存的大救星：它理论上可以让QLC闪存比现有的SLC更快，同时还能保持低价。唯一的差别是，X-NAND无法提升闪存写入寿命。

增加Plane提高并发：

QLC自身的写入速度大约只有SLC闪存的1/8左右，提高数据读写的并发度是改善闪存性能的主要方向。目前3D NAND闪存已开始从2 Plane设计向4 Plane设计转变。

铠侠的XL-Flash超低延迟闪存为了提高性能更是采用了16 Plane等设计。不过要将16 Plane设计普遍应用到3D闪存中却并不经济：Page Buffer的数量会同步提升，并导致闪存芯片面积急剧增大，进而让闪存的制造成本上升。这也是XL-Flash只能专注于高性能存储而难以惠及消费级SSD的原因。

NEO Semiconductor更改了NAND闪存的设计，将Page Buffers容量降低到1KB来避免16 Plane设计在成本的增加。

X-NAND理论上可将闪存读写速度提高16倍，同时由于位线长度和电容的降低，随机读取速度以及写入验证速度也将大大提高。

按照NEO Semiconductor公开的数据，X-NAND技术可令QLC闪存的随机读写性能提高3倍、顺序读取速度提高27倍、顺序写入速度提高14倍。

提升之后的X-NAND QLC将比当前SLC闪存的顺序读写速度更快一些，但随机读写性能依然落后于真正的SLC闪存。不过，X-NAND技术同样可以用于SLC闪存，让SLC变得比现在更快。

加速鸡血永不停的奥秘：

回到大家最关心的“写入不掉速”问题上来。NEO Semiconductor承诺让QLC闪存可以始终以SLC缓存的速度进行写入，而不会出现缓存用完、速度暴跌。相信很多朋友和小编一样，怀疑这是不是真的。

NEO Semiconductor在最新的白皮书中解释了其中的原理。X-NAND充分发挥了Plane数量增加的红利，让不同分组的闪存交替以SLC写入、QLC释放和闪存擦除三种模式循环工作。

根据NEO Semiconductor的数据，32 Page的数据连续写入到8个Plane耗时6400μs，而将这些数据读取后并发写入到QLC Page所需的时间大约也是6400μs，这么一来一去，就可以保障数据可以始终保持全速写入而不发生掉速。

小容量设备的福音：

X-NAND的一个重要优势是它可以普惠众生，而不仅仅是面向昂贵的高端企业级SSD。

Plane数量的增加使得闪存并发存取性能提升，小容量的闪存也能提供可观的读写速度（特别是写入速度）。在外部接口（SATA/PCIe）总带宽固定的情况下，闪存性能的提升还可以降低对主控闪存通道数量的需求，进而降低SSD主控的成本。

灵活多变，满足每个人的需求：

每个人对存储性能的需求是不同的。硬件发烧友和电竞玩家追求极致性能，普通家用倾向于均衡的性能和成本，办公和教育市场可能更喜欢够用就好的高性价比SSD。X-NAND的Plane数量并非固定在16个，减少Plane数量意味着闪存芯片成本的降低，可以制造出速度相对不那么快、但价格更低的闪存。

NEO Semiconductor在去年的FMS闪存峰会上首次公开X-NAND，目前它们已经获得了相关技术专利，但它们不会自己利用这些技术进行闪存生产。所以我们什么时候能够实际体验到上述新技术优势，在一定程度上取决于世界主要闪存制造商会不会向NEO Semiconductor购买专利授权，或者它们自己是否已经有了类似的专利储备，并最终将其量产。总的来说，NAND闪存的发展前景是光明的，我们无需担心写入速度一步步向着HDD水平滑落而没有选择。

NEO半导体推出X-NAND，兼顾SLC的速度和QLC的密度

NAND闪存诞生这么多年，它的发展一直没有停下来，基本上都是追求更高的存储密度，所以从最初的SLC一直发展到现在的QLC，虽然存储密度大幅度提升，但论性能的话还最初的SLC更快。在2020年闪存峰会上，NEO半导体首席执行官兼创始人Andy Hsu介绍了他们公司的新X-NAND闪存架构，新的架构有望把SLC的速度与QLC的高密度与低价结合在一起。

消息来自tomshardware，该公司称X-NAND的随机读写与写入比QLC闪存快三倍，连续读取快27倍，连续写入快14倍，从性能来看确实非常之快。

此外芯片的尺寸更小，Die Size只有同样16 planes的NAND闪存的37%，这样就可以有更好的灵活性，可以根据实际需要缩减芯片的尺寸，而且X-NAND在较小的尺寸下依然有较高的并行性，就像智能手机或者M.2 SSD上看到的那样，可以在不影响耐用性和成本的情况下实现这一目标，而且它的功耗非常低。

现在的QLC SSD严重依赖SLC Cache，因为QLC的原始写入速度实在太低了，所以QLC SSD基本上都会利用它的容量优势配备大容量SLC Cache，在消费级市场上通常来说写入压力不会很大，所以有足够的空闲时间把SLC缓冲区搬运到QLC闪存上存储，但企业级负载就没有这样的时间了。X-NAND允许同时进行SLC和QLC写入模式，这样就能让闪存一直保持SLC的性能。

西数预计到2024年闪存市场上QLC的份额可能高达50%，X-NAND的设计目标是确保使用现有NAND的方案，传统的NAND工艺无需进行结构更改，没有额外的制造成本，并且可以通过快速采样开发，该设计旨在加快QLC的推广应用，特别是在数据中心市场，让QLC的性能不再是瓶颈。

同时X-NAND对编程与擦除策略进行了修改，这样可以提高QLC闪存的耐用性，X-NAND把页面缓冲区从16KB改到1KB，不过Plane的大小可以做到16倍。

Plane是闪存的最小单位，每个Die里面有一个或者多个Plane，页面缓冲区保存总线与闪存之间保存的数据。闪存芯片被划分为保护位线或单元串的Plane，因此Plane划分可以减少位线的长度，从而有助于提高性能。通过在相邻位线之间进行屏蔽以减少读取或验证编程时的建立时间，可以进一步增强此技术。由于可以并行编程多达十六个位线，因此提高了写入性能。

X-NAND具有六个主要功能：多位线写入，多Plane QLC编程，编程挂起，多BL读取，单锁存QLC读取以及SLC/QLC并行编程。取决于实现方式，由于可以在编程序列中使用多个Plane，因此可以大大提高程序的吞吐量。使用多个存储体可以同时进行SLC和QLC编程，从而确保SLC页面永远不会满载，同时可以以SLC速度将数据转存到QLC页面。程序允许使用内部共享的页间缓冲区数据线或I/O总线来最大程度地减少额外的延迟。通过使用Plane锁存每个位线的读取来改进读取，并且可以像DRAM一样用非破坏性的方式来刷新数据。

X-NAND可以与任何数量的现有NAND配合使用，从而提高了灵活性并简化了转换。NEO半导体希望该技术具有成本效益，快速且易于在现有设计中实施，该公司表示，它对于像QLC这样的高密度闪存特别有用，因为它可以利用高容量，兼顾高性能和较小的芯片面积，同时又有良好的耐久性和功耗，该技术针对嵌入式设备、AI和云，包括NAS、数据中心和边缘计算。

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