浅谈3D-NAND、QLC和SCM介质技术和新产品

Hardy 架构师技术联盟

NAND Flash技术的发展完全沿着技术演进、商业价值和需求匹配的车辙在不断行驶。诸如SRAM，DRAM，EEPROM等 产品和技术。在每个存储器单元存储一位的二进制数据的NAND Flash 技术被称为单级单元(SLC)。但是由于SLC在容量和价格等原因，促使MLC、eMLC及TLC这三种闪存颗粒 迅速发展起来，关于Flash颗粒介绍请参考文章“闪存技术最全面解析”。

NAND Flash在应用普及和全面替换HDD遇到最直接的一个问题还是价格，从SLC、MLC到TLC一直才寻求价格的平衡点，尽管TLC能够解决SSD容量瓶颈，却还是不能完全解决SSD价格的难题。大容量SSD仍旧昂贵，小容量SSD+大容量便宜HDD的混合存储解决方案也层出不穷，但在体验上终究没有单纯大容量SSD来得好。目前来看，TLC还是相对来说在性能和价格方面平衡不错的方案，再说随着容量的增加、技术的改善，TLC闪存的擦写次数逐渐等到优化，也并没有想象中那么容易失效 。

结合实际应用发现，SSD在处理数据写入时，每次都写到新的物理地址，从而使得所有的闪存物理空间被均匀使用。假设一块600GB的SSD，其闪存介质写次数为1万次，那么该SSD可以写入的数据总量达到6PB(600GB*10000)；在实际企业级环境中的硬盘，整个生命周期的写入数据总量远小于200TB，这意味着这块600GB的SSD使用10年以上。

技术永远无法脱离实际应用，TLC颗粒在3D-NAND Flash的产品应用非常广泛，先后出现了32，64，72，96层的基于TLC的3D NAND Flash产品 ，起初这些TLC产品只要应用在消费级产品，但目前很多存储厂商已经把TLC颗粒引入企业级存储产品。下面我们看看主流3D-NAND Flash厂商(三星、东芝、WD和SK Hynix 四大厂商)的新产品和动态。

东芝(Toshiba)携手SanDisk 研发出全球首款采用堆栈 96 层制程技术的TLC 3D NAND Flash 产品，且已完成产品试作。该款堆栈 96 层的 3D NAND试制品单颗芯片容量为 256Gb(32GB)，预计于 2017 年下半年送样、2018 年开始进行量产，主要用来抢攻数据中心用 SSD和PC桌面SSD等市场。

三星在 3D NAND Flash一直处于领先地位，在去年就发布64 层 3D NAND 。但前不久SK Hynix 推出第四代 72 层的 3D NAND 进入量产，主要用于行动设备，并已交货给客户。韩国对3D NAND Flash技术和市场的控制力是不容忽视的。

Intel发布了新一代SATA SSD 545s产品 ，采用64层堆叠闪存的SSD取代去年的SSD 540s，当时Intel自己的3D堆叠闪存技术还不成熟，所以采用了SK海力士的16nm TLC和慧荣主控SM2258。SSD 545s采用的是Intel第二代3D TLC闪存颗粒(Intel的第一代3D闪存是32层堆叠)，64层堆叠设计，具有浮动栅极存储单元，单颗容量256Gb(32GB)。SSD 545s的主控采用了升级版慧荣主控SM2259，加入了对端到端数据保护和ECC的支持(主控SRAM和外部DRAM均有)，同时搭配Intel定制固件 。支持每天0.3次全盘写入，终生写入量288TB。

为了延长SSD磨损寿命，多数厂商提供容量超配 。例如一块100GB容量的SSD，其内部的闪存颗粒的物理容量是大于100GB，企业级SSD一般可以达到128G或者更多，超出的那部分就被称为冗余。或者采用较好的部件，如更好的颗粒、更好的控制芯片 ，提供强力的LDPC纠错算法等 ，但是SSD寿命并非单纯取决于闪存的类型，而是多个因素综合作用的结果。

闪存介质中，保存数据的基本单元被称为Cell。每个Cell通过注入、释放电子来记录不同的数据。电子在Cell中进出，会对Cell产生磨损；随着磨损程度的增加 ，Cell中的电子出现逃逸的概率会不断增加，进而导致Cell所保存的数据出现跳变。例如某个Cell最开始保存的二进制数据是10，一段时间后再读取该Cell，二进制数据可能就变成了11。因为闪存中保存的数据有一定的概率出现跳变，因此需要配合ECC算法(Error Correcting Code)来使用，SSD内部需要有ECC引擎进行数据检错和纠错 。

写入SSD颗粒数据时，ECC引擎基于原始数据计算出冗余数据，并将原始数据和冗余数据同时保存 。从SSD读取数据时，原始数据和冗余数据一并被读出，并通过ECC引擎检查错误并纠正错误，最终得到正确的原始数据。

闪存所保存的数据出现跳变的数量，随着擦写次数的增加而增加 。当擦写次数达到一定的阈值后，闪存中保存的数据出现跳变的数量会增大到ECC引擎无法纠正的程度，进而导致数据无法被读出。这个阈值就是闪存的最大擦写次数 。

在SSD领域，当前标准的ECC算法是BCH算法(以三位作者的名字首字母命名)，可以满足绝大多数SSD的纠错需求。大多数产品中，闪存介质所宣称的最大擦写次数，就是基于BCH算法来给出 的，但是BCH算法的纠错数据位比较有限，所以目前纠错能力更强的算法也被应用，如LDPC(Low Density Parity Check Code) 是一个纠错能力很强的算法，可以纠正更多的数据跳变。

SLC、MLC及TLC这三种闪存芯片，大家都很清楚，但接下来QLC闪存芯片要开启它的逆袭之路，而东芝和西数已经率先做出表率 ，目前主要针对智能型手机(如iPhone等)、平板计算机和记忆卡市场。

东芝今后也计划推出采用堆栈 96 层制程技术的 512Gb(64GB)3D NAND 产品以及采用全球首见的QLC(Quad-Level Cell)技术的 3D NAND 产品 。该款QLC试作品为采用堆栈 64 层制程技术，实现业界最大容量的 768Gb(96GB)产品，已经提供给 SSD 厂、控制器厂进行研发使用。

西数全球首发了96层堆栈的3D NAND闪存，其使用的是新一代BiCS 4技术(预计下半年出样，2018年开始量产)，除了TLC类型外，其还会支持QLC ，这个意义是重大的。西数已经用实际行动表明会支持QLC，而接下来三星、Intel、SK Hynix等厂商也势必会跟进(目前还没有正式公布QLC的进展)，为何厂商会跟进可靠性、寿命比TLC还差的QLC 。

目前来看，QLC闪存单位存储密度是TLC的2倍，单颗芯片可达到256GB甚至512GB。但是QLC闪存的电压更难控制，写入速度更低，可靠、稳定性及寿命比TLC更差。个人觉得主要的原因是成本和闪存对寿命SSD的不断优化，随着SSD控制对QLC技术优化，也有理由相信QLC跟TLC走同样的路，也有可能被用在企业产品 。

从长远来看，能不能将SSD的价格拉下来，我个人对QLC是寄予厚望的，但具体时间目前却无法预知，从TLC到QLC的技术过度 需要时间，需要双倍的精度才能确保足够高的稳定性、寿命和性能。如果参考TLC的历程，价格优势更难在短期内体现出来，QLC大批量上市并且明显带动降价节奏的时间也是我所期待的。

对于存储介质的未来除了NAND Flash外，还要有很多技术值得期待。 SCM( Storage -Class-Memory)产品已经出现在大众视野 ，如美光、英特尔自2016年开始量产的3D-Xpoint ，威腾、东芝合作开发的3D-ReRAM 。SCM的读写速度是3D-NAND的千倍，但在产品测试结果显示只有几十倍，这也说明SCM在读写性能上还有较大的提升空间值得期待。然而3D-NAND+类DRAM混合型的4D-NAND集前端高速度DRAM和后端低价大容量的3D-NAND于一身，也将会在容量和性能中找到一个很好的折中点。

英特尔发布670p固态盘 基于144层QLC 3D NAND技术打造

2021年3月2日，英特尔正式发布全新的、基于QLC 3D NAND技术打造的670p固态盘。新产品包含512GB、1TB、2TB三种容量，尺寸为2280标准，支持PCIe 3.0×4接口，基于英特尔先进的144层QLC 3D NAND技术打造，在整体容量和性能方面有了极大提升。

英特尔670p固态盘单驱动容量最高达到2TB，并针对办公和游戏进行了优化。它采用超薄的M.2 80毫米外壳打造，适合笔记本电脑、台式机以及诸多移动设备。

英特尔全新的QLC 3D NAND技术相比前一代，在顺序读取性能方面提升2倍，耐久性提高20%。根据官方测试数据，其顺序读取速度达到3500MB/s，顺序写入速度2700MB/s；随机4KB读取最高可达310K IOPS，随机4K写入最高达到340 IOPS。其写入耐久性为每512GB 185TBW，综合表现优异。

全新的英特尔670p固态盘采用创新性的浮动栅极架构，它拥有紧密、对称的层，结合CuA（CMOS under Array, 阵列下 CMOS 技术），没有单元开销。浮动栅极架构拥有良好的程序/擦除阈值电压窗口，单元之间电荷隔离更加稳定，并且能够完整保留数据。

此外，这种动态架构改变了单元配置，以同时满足用户对于存储容量和性能的需求。同时该技术使高性价比的大容量存储成为现实，并且有助于加快大容量固态硬盘普及。

英特尔670p固态盘还扩大了动态SLC的使用范围，2TB容量最大SLC容量达到280GB，1TB容量最大SLC容量为140GB，512GB容量最大SLC为70GB，有效提升存取速度。

英特尔客户端计算事业 部副总裁兼PC创新部总经理Josh Newman表示：“全新英特尔670p固态盘将有助于实现更强的性能、更快的速度和响应能力，同时提供人们所期待的全天 电池续航所需的低功耗。通过我们的开放实验室，这些固态盘还对功率和性能进行了优化，使其成为未来英特尔Evo设计的一个绝佳选择。”

总体来看，英特尔670p固态盘使用了144层英特尔QLC 3D NAND技术，并且优化了控制器、固件和缓存算法。其针对低队列深度和混合读/写负载进行了调整，满足时下最常见计算需求的存储，如办公和游戏。而与上一代660p固态盘相比，全新的670p固态盘在性能、耐久性方面更加出色，功耗更低，并且在最大容量上提升巨大。

据悉，英特尔670p固态盘将于二季度通过OEM发售，3月1日起，用户也可通过网络零售商进行购买。

(7633915)

相关问答

NAND技术升级,估计不久后QLC将会替代TLC成为市场主流了。和老前辈SLC、MLC、TLC比起来容量更大了价格更低了,不过性能却更低了,寿命也更短,而且可靠性还未知...

因为可编程、可擦写,在某些特定的条件下,黑客可以远程改变EEPROM里的内容,“黑掉”一个系统。NVRAM是非易失性存储器家族里的一种,Flash就是属于NVRAM的一...

发布两个月后,英特尔终于在今日正式放出了第二代QLC固态硬盘新品,它就是采用了新一代96层3DQLCNAND的IntelSSD665p。作为对比,上一代IntelSSD....

采用96层QLCNAND的英特尔NVMeSSD665p在去年发布之后,援引日媒Akiba报道1TB型号SSDPEKNW010T9X1已上架发售,零售价格为20680日元(约合1315.62元人民...

三星的EVO系列固态硬盘是三星主要的消费级产品,采用3DNANDTLC闪存颗粒,SATA3协议,最高支持6Gbps的传输速度。而QVO系列是三星新推出的产品,采用3DNA...

西部数据(WesternDigital)本周宣布,基于3DQLCNAND存储的首批产品已经开始出货。首批产品涵盖西数现有的多个产品线,包括存储卡、USB优盘和移动SSD等等,...西...

在今日密集的发布公告中,英特尔介绍了企业级傲腾(Optane)与QLCNANDSSD存储产品线的更新,首先来介绍下OptaneSSDDCD4800X。与P4800X系列相比,其...

除了刚刚介绍过的瑞昱(Realtek)RT5261,我们还在本届台北电脑展(Computex2019)上见到了来自群联(Phison)的PS5017SDExpress芯片方案。有趣的是,群...

K29支持QLCNAND(四位元单元层)固态盘。QLCNAND技术是一种高密度存储技术,可以在同样的芯片面积上储存更多的数据,因此可以提供更大的容量。与其他固态盘相...

你好!我是存储随笔,一个长期混迹存储圈的工程师,致力于分享最专业的存储知识!固态硬盘基本原理固态硬盘SSD结构中,存储数据的介质是NAND闪存。NAND闪存是...固...