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nand纠错算法有了强力纠错后垃圾闪存也能不翻车？固态硬盘纠错技术漫谈

发布时间 : 2024-11-25

作者 : 小编

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有了强力纠错后垃圾闪存也能不翻车？固态硬盘纠错技术漫谈

除了闪存颗粒之外，主控芯片在固态硬盘当中的地位也非常重要。主控不仅仅控制闪存的读写，更需要提供ECC纠错服务。

固态硬盘离不开纠错算法，是因为他使用的NAND闪存从一开始就面临着更容易出现的数据翻转等错误，必须要有纠错机制对其进行探测和纠正。这个过程是固态硬盘的主控内自动进行的，通常用户不会感知到他的存在。下图东芝TR200固态硬盘当中的TC58NC1010GSB主控，支持LDPC纠错。

何为纠错？

或许很多朋友还不清楚ECC纠错是怎么一回事，以及为什么纠错变得如此重要。下图为ECC信息存储示意图：每个闪存扇区中都为存储额外纠错信息而预留了部分Spare空间。

NAND闪存在1987年由东芝发明，它比稍早出现的NOR闪存具备更大的存储空间和更低的单位容量成本，不过同时也有更高的出错率。这使得它必须搭配一定的纠错引擎，来去除随机出现的"比特翻转"现象，简单来说就是保障数据不出错。

TLC化腐朽为神奇：从500次到3000次

TLC在被用于固态硬盘之前，并不被人们所看好：写入寿命仅有几百次，随着制程微缩还可能进一步降低。

不过好在闪存的发展伴随着纠错技术的进步。虽然纠错算法变得日益复杂，但纠错效果也在以日新月异的速度成长，高品质的原厂TLC闪存甚至能做到和过去的MLC一样耐用。

纠错的发展以及LDPC的优势：

固态硬盘使用的纠错码主要有BCH和LDPC两种，后者出现虽然较晚但却已成为当代3D闪存的标配搭档。不过LDPC虽强，效果还是跟固件的编制水平有关，尤其是LDPC中的软解码纠错。

BCH与LDPC硬解码纠错用预定的阈值电压去探测闪存单元中的数据内容，得到的结果非1即0。在初次纠错失败的情况下，BCH可以通过多次Read Retry重读尝试恢复正确的信息；LDPC硬解码可以借助LLR对数似然比来推测数据更大可能是1还是0。

BCH祭出Read Retry之后如果依然读取失败就意味着发生不可纠正的读取错误：用户数据丢失。而LDPC此时还可以再祭出大招：软解码纠错。软解码纠错需要纠错引擎对闪存特性非常了解（不同闪存型号、不同擦写次数、不同读取干扰程度，甚至是不同温度都可能有各自的优化解码方案），采用多种读取电压进行尝试，综合LLR信息计算出可能性结果。

恰恰是LDPC软解码这种根据经验进行"猜测"的能力，让它具备了比BCH更强的纠错效果。当然经验不是凭空而来，而是需要对闪存脾性具有足够多的了解，在这方面闪存原厂具备很强的话语权。这也是小编推荐大家选择东芝等原厂固态硬盘的一个原因：不光闪存品质更好，纠错处理也给力，稳定性和寿命自然好。

除了纠错能力高下之外，纠错延迟开销也是一个重要指标。毕竟反复读取和尝试解码是需要更多时间作为代价的。在综合各方面因素之后，LDPC硬解码打头阵，失败后再由LDPC软解码上阵放大招的模式表现更好。

写在最后：LDPC纠错虽强，但闪存体质也不容忽视。垃圾闪存颗粒配LDPC，过多的软解码上阵虽然能在短时间内撑下来不丢数据，但会令读取延迟增大，直观表现就是效能下滑严重。说不定有些山寨SSD可能会卡而不死，让用户头疼不已。

NAND闪存这些年：QLC也没那么脆弱

NAND Flash是目前最常见的存储芯片，当其存储密度不断提升的同时，成本也会变得越来越敏感，因为Flash闪存的成本取决于其芯片面积，所以如果可以在同一区域存储更多数据，Flash将更具成本效益。

我们都知道固态硬盘采用闪存颗粒NAND Flash作为存储介质，所以它是固态硬盘中最重要的构成部分，其好坏也就决定着固态硬盘质量的好坏，而我们目前常见的NAND闪存主要有四种类型：Single Level Cell（SLC），Multi Level Cell（MLC）和Triple Level Cell（TLC），还有一种尚未大规模普及的QLC。

860 QVO

现在我们来认识下SLC、MLC、TLC、QLC

不难理解，MLC Flash是可以在与SLC相同的区域中存储更多的数据，同上，TLC则是在相同的区域内能比MLC存储更多的数据，而QLC则是比TLC能存储更多的数据。

区别

在SLC闪存中，每个存储单元仅存储一位信息，这使得读取单元格更快捷，因为磨损的影响小这也增加了单元的耐久性，进而增加了寿命，但其单元成本较高；MLC闪存每个存储器单元存储两位信息，读取速度和寿命都低于SLC，但价格也便宜2到4倍；MLC闪存的低可靠性和耐用性使它们不适合企业应用，创建了一种优化级别的MLC闪存，具有更高的可靠性和耐用性，称为eMLC；TLC Flash每个存储器单元存储3位信息，优势在于成本与SLC或MLC闪存相比要低得多，较适合于消费类应用，而到QLC Flash则是每个存储器单元能够存储4位信息以存储更多的信息，寿命也会相应低于TLC。

3D NAND助力QLC普及

说到这里就不得不提3D NAND，它的原理就是通过在同一晶片上垂直堆叠多层存储器单元，所以能够实现更大的存储密度。

第一批3D Flash产品有24层。随着该技术的进步，已经制造出32,48,64甚至96层3D闪存。3D闪存的优势在于同一区域中的存储单元数量明显更多。这也使制造商能够使用更大的制程工艺节点来制造更可靠的闪存。

3D NAND

一般来说，厂家为了更大的存储容量会使用更先进的制程工艺提升单位面积的存储容量，但由于闪存独特的电子特性，制程工艺越先进，寿命也就会越短，所以TLC在发展过程中会遇到寿命问题，但由于3D NAND是利用了垂直空间，提升容量。所以厂商没有必要使用更先进的制程工艺，转而使用更为老旧的制程工艺保证TLC的寿命，然后通过3D NAND增加容量。

在主要的NAND厂商中，三星是最早量产了3D NAND，其他几家公司在3D NAND闪存量产上要落后三星至少2年时间，在3D NAND路线上，三星也研究过多种方案，最终量产的是VG垂直栅极结构的V-NAND闪存，目前已经发展了五代V-NAND技术，堆栈层数从之前的64层提高到了90层以上，TLC类型的3D NAND核心容量更大，目前最新的技术在自家的860及970系列SSD上都有使用。

860 QVO

QLC能够迅速落地，有如此成就离不开3D NAND技术的发展，正是如此，借助3D NAND技术，QLC才能够实现1000PE的寿命，目前能够推出QLC的厂商，也都是通过3D NAND实现的。大家对QLC的最大焦虑就是寿命，真正了解QLC以后，自然会消除焦虑，目前已经有多家厂商对外表示自家3D QLC闪存的可擦写寿命为1000PE。

三星第五代V- NAND技术已经足够成熟，再配合以QLC闪存这也就使得固态硬盘在容量上轻松步入TB时代，三星作为全球领先的闪存厂商，去年首发采用QLC闪存的SATA SSD,860QVO就已经能够实现单颗1TB的闪存颗粒，目前发售的版本最高甚至可以达到4TB，这也意味着SSD进入TB级时代。

QLC+3D NAND带来更多可能

NAND闪存已经进入3D NAND时代了，在2D NAND闪存时代，厂商为了追求NAND容量的提升，需要不断提升NAND制程工艺，但在3D NAND时代，提升NAND容量靠的不是微缩制程工艺了，而是靠堆栈的层数，所以工艺变得不重要了，比如三星最初的3D NAND闪存使用的还是40nm工艺，可靠性要比20nm、10nm级工艺高得多。

由于TLC问世于2D NAND闪存时代，所以遭遇了诸多寿命、性能上的考验，最初发布的TLC闪存P/E寿命只有100-150次，但是随着NAND技术的进步、纠错技术的改良，P/E寿命不断提升，从TLC闪存的进阶之路我们便不难看出这个道理，所以这个发展之路对于QLC闪存同样适用。

任何新技术的普及都不是一帆风顺的，所以大家对QLC闪存的寿命担心也很正常，从内部结构来看，确实QLC闪存的寿命要低于TLC，但现在3D NAND时代的QLC闪存在可靠性上跟2D NAND时代的TLC、QLC完全不同，P/E寿命不是问题，目前主流的QLC闪存P/E已经能够达到将近1000，并不比TLC闪存差多少。

连续读写

三星作为全球主要的闪存厂商，新技术一直领先于市场，我们目前已经能够看到消费级的QLC闪存硬盘860QVO，而且三星为其提供了3年时间的质保或者1440TBW的总写入，且连续读写测试能达到跟TLC同级的水平，大约写入100GB时速度下降为100MB/s，但这依旧要远远高于机械硬盘的速度。

QLC闪存现在能够问世从根本上来说是市场需要，我们都知道内存的速度要比SSD快，但是SSD又要比机械盘快，性能虽然逐渐降低，但是换来的是更大的容量，所以随着技术发展势必会有TB级起步的超大容量SSD来取代机械硬盘的位置，而历史将这个任务交给了QLC闪存。

QLC闪存时代已经来临

由于内部架构原因，QLC闪存读写速度要低于TLC闪存，但是要远远高于机械硬盘，并且拥有同等TB级的容量，随着5G逐渐进入商用，我们个人的存储需求势必进一步加大，有不少科研机构预计了我们未来的硬盘使用场景，未来更可能是以500GB左右的TLC或者MLC闪存盘来做系统主盘，用2T或者更大的QLC闪存盘当做仓库盘这样便能完美的发挥各自优点，避开不足。

可以说QLC闪存的时代已经来了，三星QLC闪存已经开始出货，我们在电商平台已经可以看见三星的860QVO在出售，最高容量可以支持4TB，很明显QLC闪存最大的优势是能够实现更大的容量，无论是消费级还是企业级，而这靠TLC是无法实现的。

与机械盘相比，无论是连续读写、随机读写亦或是功耗和噪音它都是完全胜出，所以取代机械硬盘应该只是时间问题了。

完

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