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bch算法 nand 浅谈3D-NAND，QLC和SCM介质技术和新产品

发布时间 : 2025-02-07

作者 : 小编

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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。

小明学习笔记｜看不懂 BCH 算力大战怎么才结束？点这里

编者按：区块链涉及到的技术很多，从互联网底层到不明觉厉的密码学，可是往往关注币价者多而研究技术的人少。牛市的时候，大家为了炒币也会努力学习，熊市的时候，反正也没啥事，我觉得可以更加努力学习。作为一个文科生，我当然会有很多理科生看起来觉得很白痴的问题。作为一个记者，我不难找到业内懂的人用人话给我解释，而且他们往往不会当面嫌弃我。

这是小明学习笔记第五期，变成科普别人。之后想学习随机算法、开源历史和文化等。如果有其他有趣问题，欢迎投稿和提问。

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这两天币圈最火的莫过于 BCH 算力大战。可是在各个群里，依然有一堆不明真相的群众在大战讨论间隙蹦出这种疑问：“所以他们到底在争什么”、“不管胜负，最后各自都会持有大量的 ABC 和 SV 吧”。在跟身边的小伙伴和各个群里科普了几次基本概念之后，我发现不行，口头科普工作量太大，决定写一篇文章。本文是基于我在采访报道 BTC 和 BCH 分叉中，跟采访对象请教的，我本身并不是学技术的，如果文本有任何问题欢迎大家指正。

什么是分叉（Fork）？

分叉这个词主要适用于以太坊和比特币等公链网络，也可以理解成基于原来的软件版本做一些修改。说白了挖矿也得下载客户端软件，比特币矿工们挖矿其实都是用客户端在挖，用互联网的方式说有点像这个客户端在做“软件升级”。

比如，分叉有点像在谷歌创建了安卓系统之后，允许开发者对安卓系统进行一些修改，但不允许特别巨大的改动，比如小米和魅族都在安卓的基础上创建了自己版本系统，各自不兼容，用户只能选择运行一个系统。

（不要问我为什么用安卓举例而不用微信，因为微信根本不是开源的，不是谁都能 copy 它代码的，跟比特币的情况完全不一样。安卓已经是我能想到最多人在用的开源软件了。有朋友表示看不懂安卓的例子，接下来我会用王位的例子——更容易理解但是会更不准确。）

类似的分叉可能出现以下情况：

1、版本正常更替，核心开发团队自己做软件升级（王位正常更替）：

比特币、以太坊和 BCH，都“官方升级”了很多次。其实以太坊曾经的 TheDAO 攻击事件，最后就是全社区公投，决定分叉，舍弃原来被黑客攻击的版本，拿回自己的钱。

2、其他开发者拿主链代码做了一些修改发布一条链（隔壁有个新王朝诞生）：

比如莱特币、狗狗币等早期的很多币种，都是复制比特币代码，做了一些修改，自己发了一条链。所以这些币客观来说叫“分叉币”或者“竞争币”，比特神教教徒通常称他们为“山寨币”——言下之意就是“山寨”比特币的币。

本质上 BCH 的诞生也属于这种，但是 BCH 当初“玩得比较大”，毕竟是经历了曾经的扩容共识之后在众人意外之时诞生的：Bitcoin ABC 团队单方面分叉出 Bitcoin Cash，即 BCH，被社区称为“政变”。

由于后来吴忌寒以及比特大陆投资的矿池 ViaBTC 最先公布支持 BCH，有人认为 BCH 的诞生是吴忌寒的阴谋。但这种说法遭到 BCH 和吴忌寒的否定，而且后来比特币耶稣也公开支持 BCH，BCH 逐渐成为市值最大的分叉币。

3、社区里其他开发者不太爽，自己做一条链（夺嫡大戏）： 这种，其实就是第二种。区别在于，这种通常戏比较多，往往会涉及到“争名分”的夺嫡大戏——太子登基在即，二皇子跑出来说我才是下一代的王——谁赢就取决于谁获得的支持多。比如当初 BTC 分叉之前，本来社区都以为即将展开一场算力投票。

结果在投票前夕，有一个叫 Bitcoin ABC 的团队冒出来喊了一句“大楚兴，陈胜王”，自立为王，宣布独立——所以其实 BCH 不能算夺嫡，吴忌寒也一直坚称 BCH 走的一条跟 BTC 不一样的路。

（为了避免歧义，我就不解释硬分叉和软分叉了，上面说的属于硬分叉，想了解的朋友们可以看这篇文章。声明一下，这部分跟我们平时说挖矿偶尔会出现分叉有点不一样，这个分叉是临时性的，最终会归一。）

这次算力大战又有啥不一样呢？

这场算力算大战究竟是上面哪种情况。因为上述情况其实都是按版本/软件发布者的身份来分，所以算第三种。但是 CSW 的做法跟当时比特币分叉出来的 BCH 不同，这次双方都没有开“重放保护”，意味着他们现在还是一条链，只能活一边。

你可能想问，什么是重放保护？

一般来说，当区块链主链网络进行硬分叉之后，区块链发生永久性分歧并产生两条历史交易、地址、私钥以及余额等完全对应的链。这两条链的地址和私钥生产的算法相同，交易格式也完全相同，理论上在两条链上都可被确认以及识别，所以你在其中一条链上发起的交易，就可以到另一条链上去重新广播，可能也会得到确认。

比如以太坊之前从 ETC 硬分叉到 ETH 之后，有黑客不断在交易所进行充币（ETH）、提币（ETH）操作，从而导致交易所莫名其妙流失大量 ETC，这就是“重放攻击”。（其实是没有交易所想到还有矿工在 ETC 上挖矿。）

如果加入重放保护，就能避免这种情况，具体方式就是改一下代码，添加随机数、时间戳，或者流水号等方法都可以，在两条链间形成隔离，让一条链上的事务在另一条链上无效被识别，以确保两条数据共享链保持独立运行状态。

所以如果双方都不改代码，就不会分叉，那就只能按照“最长链原则”展开算力大战。“最长链原则”是比特币定下的规则，因为比特币本身就出现一些“临时性的分叉”，节点们要选择在哪条链上接着挖下去就是根据“最长链原则”——这个翻译其实有点问题， “最长链” 准确地说是 “算力最大、累计难度大的链”。 江卓尔的他的文章里就写道，例如节点会接受2个难度10的块，而抛弃掉3个难度5的块，因为10+10=20>15=5+5+5。不过一般算力越大，出块也会更快，因为难度调整需要一定时间。

这就是现在算力大战的方式：ABC 和 BSV 利用已有算力，各自选择不同的客户端挖矿，挖一条更长链。

理论上中立/理性的节点按规则，将接受更长的链，因为这条链按规则会存活下来——问题就是现在这两边已经不太按规则或者理性在玩了。

目前，即便 BSV 算力暂时落后，只要有算力在某条链上一直挖，这条链就会一直存在。直到任何一方放弃，不再投入任何算力，这条链就不存在，他原来挖出来的币就相当于全部归零——这叫投降。当然，他也有另一种选择，就是开启重放保护或者修改算法——相当于宣布独立，最后分裂成两种币。

大战起于 ABC 在发布了 11 月的硬分叉方案之后，CSW 在 8 月的时候说要出一个新版本，而且他的意思是“我不想要原来的版本，但是也分裂，不想独立，就是想取 ABC 而代之”。最后结果究竟会不会有两种币，就看双方怎么想了。

当然，其实算力大战还有一种更“粗暴”的方式，就是利用自己的算力优势，直接用算力堵死对方的链，让无法交易。其实就是 51% 算力攻击，具体能达成的效果江卓尔也说了：

通过51%攻击，可以完成各种目的，例如：

1、在Tx1（交易1）确认后，撤销掉Tx1，让另一个冲突的Tx2（交易2）生效。2、用自己挖的块（红色的块），孤立掉其它矿工挖的块（蓝色的块），让其它矿工损失挖矿产出。

在51%算力攻击的基础上，可以进行 “51%空块攻击”：攻击者只挖空块（不包括任何交易的块），并不接受（孤立掉）任何其它矿工挖的，正常打包交易的块，让这条链瘫痪掉，任何人都无法正常交易。并且，由于矿工在这条链上挖到的块都被孤立掉，没有挖矿收入，因此也会逐渐停止挖矿，最后这条链就死了。

不过双方都没有用这种方式，也许是因为经济原因也许是觉得这个事情“不正义”，但真实原因只有双方知道了。

交易所起到什么作用？

如果没有人投降或者单方面独立，理论上来说交易所会一直停止提币或者充值。现在是一个中间状态，不知道哪条链会赢，还没有新的币产生。交易所没法上现货的交易对，最多能上期货。

可是，一旦真的分裂成两个币，分裂出来这个币的命运如何，交易所的选择就非常重要了。假设 BSV 这个币诞生出来一个币种，但是没有交易所上这种币，没法交易也没有场内价格，没有人会愿意挖这种币，因为挖也没有意义。说白了，矿工愿意挖 BCH 本质上是因为赚钱，所以价格往往跟算力是成比例的。

这就是为什么币圈老人吴钢说，算力只是共识的一部分，不是全部。

可是，只支持单方面的交易所可能很少见的。为了用户利益，大概率交易所都是中立的，如果有两个币，我会同步支持发放给用户，然后慢慢上交易对。比如币安的公告就是典型中立：

为支持BCH硬分叉，币安将于11月16日0时40分进行快照，并于11月15日23时暂停BCH充值、提现。由于BCH硬分叉将可能出现Bitcoin Cash ABC（BCHABC）、Bitcoin Cash SV（BCHSV），币安将于11月16日0时40分暂停BCH/BNB、BCH/BTC、BCH/ETH、BCH/USDT交易对，后续处理方案如下：

方案1：BCH硬分叉并未有新的分叉币产生，币安将恢复交易，具体恢复交易时间另行公告。

方案2：BCH硬分叉并产生新的分叉币，币安将根据快照1:1分发 BCHABC和BCHSV，分发完成后交易时间另行公告。

我是Odaily星球日报编辑卢晓明，探索真实区块链，爆料、交流请加lohiuming，烦请备注姓名、单位、职务和事由。

之前第一期学习的是虚拟机（《小明学习笔记 | 一文看懂区块链跨链机制》），第二期是跨链（《小明学习笔记 | 一文看懂区块链虚拟机》），第三期《小明学习笔记 | 一文看懂互联网TCP/IP协议》，第四期是《小明学习笔记 | 一文看懂可验证随机函数VRF》

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