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nand mlc技术 MLC与TLC同根生，Intel 3D NAND技术大揭秘

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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MLC与TLC同根生，Intel 3D NAND技术大揭秘

现在每一个闪存厂家都在向3D NAND技术发展，我们之前也报道过Intel 3D NAND的一些信息，昨天5月14日，Intel & Richmax举办了一场3D Nand Technical Workshop技术讲解会，在会议上Intel的技术人员给在场人员具体的讲解了Intel 3D NAND的计划以及一些技术上的细节。

3D NAND的好处自然就是能够比现在的闪存提供功能大的存储空间，存储密度可以达到现有闪存的三倍以上，未来甚至可以做出10TB以上的2.5寸SSD出来。另外还有一个重要特性，就是（每单位容量）成本将会比现有技术更低，而且因为无需再通过升级制程工艺、缩小cell单元以增加容量密度，可靠性和性能会更好。

Intel在现在2D NAND时代是没有做TLC闪存的，但是在即将到来的3D NAND时代，Intel将推出自己的TLC闪存，另外还有一个非常重要的就是，TLC与MLC其实都是同一块芯片，这点和现在三星的3D NAND差不多，Intel的客户可以根据自己的需求选择闪存是工作在MLC模式还是TLC模式。在MLC模式下每Die容量是256Gb，而TLC模式下每Die容量是384Gb。

Intel 3D NAND目前会使用32层堆叠，电荷存储量和当年的50nm节点产品相当，第二第三代产品依然会保持这样的电荷量，以保证产品的可靠性，会议上并没有明确说明3D NAND到底是使用那种工艺，只说了用的是50nm到34nm之间的工艺。

Intel的3D NAND代号是L06B/B0KB

L06B是MLC产品的代号 ，采用ONFI 4.0标准，Die Size 32GB，16k Page Size，使用4-plane设计，虽然会带来额外的延时，但同时也提供了比目前常见的2-plane设计闪存高1倍的读写吞吐量，闪存寿命是3000 P/E。

B0KB则是TLC产品的代号 ，由于是同一芯片所以许多东西都是L06B一样，当然容量、性能与寿命什么的肯定不同，Die Size 48GB，闪存寿命是1500 P/E，由于是TLC所以需要ECC标准是更高的LDPC。

Intel 3D NAND全部会使用132-Ball BGA封装，L06B可以从256Gb（32GB）到4096Gb（512GB）的产品，具体的请看上表，不过这款闪存的CE数其实是可以调的，这样可以更容易的做出更大容量的SSD。

闪存有三种工作模式

MLC工作的模式有2-pass和1-pass两种编程模式，默认的是2-pass编程模式，第一次编程lower page的数据写入到NAND阵列里面，而第二次编程则会把upper page的数据写入。

而1-pass编程模式的意思当然就是指一次编程就把lower page与upper page的数据都写入到NAND阵列里面，这样可以节省15%的编程时间，但是用这种算法的话闪存寿命会比两步编程模式时低一些，低多少并没有具体说明。

而TLC的编程算法则要复杂很多了，第一步和MLC的一步编程模式相类似，就是直接把lower page与upper page一齐写入到NAND阵列里面，第二步则是写入extra page的数据，由于算法复杂，第二部编程时需要对数据进行ECC校验。

上面所说闪存的2-pass MLC、1-pass MLC与TLC工作模式是可以用使用指令随时切换的，这对厂家来说闪存的使用会变得非常灵活，当然了产品的用户是不能这样乱改工作模式的。

至于Intel的3D NAND什么时候会开始供应，今年Q3中旬会开始相各个合作伙伴提供测试样品，MLC/TLC的都有，2015年Q4末开始大规模供货，产品的定价会根据那时的市场情况再决定。

「硬盘」实现性能、耐久度、价格的平衡 3D NAND MLC NVMe企业级SSD首测

长久以来，人们对于企业级SSD的印象大都是性能优秀，但价格昂贵。因此厂商一直在想办法降低企业级产品的成本，最有效的办法显然是从SSD中最花钱的地方着手—闪存。可能有人会说采用TLC闪存不就解决这个问题了吗？但在苛刻的企业级环境下，TLC闪存的耐用性无法满足应用需求。因此经过长期努力，由英特尔与美光联合创办的IMFT半导体公司终于为我们带来了基于3D堆叠技术的3D NAND MLC闪存，并将它应用在企业级SSD上，如本次我们将进行测试的这款英特尔SSD DC P3520系列1.2TB。那么3D NAND MLC闪存将带来哪些好处？采用这类闪存的企业级SSD将会有怎样的表现呢？

与其他半导体产品类似，闪存类产品也可以通过生产工艺的改进来降低成本，如现在的闪存从早期的50nm已经进化到目前的15～16nm，不过闪存跟处理器、GPU都不一样，先进的生产工艺虽然带来了更大的容量，但对于SSD来说也是一把双刃剑。15～16nm同类型的NAND闪存在可靠性及性能上明显不如20nm及更老工艺的产品，因为工艺越先进，闪存的氧化层越薄，可靠性也就越差，因此单纯靠生产工艺的进步来降低闪存的成本显然并不可行。

3D NAND闪存解决问题的思路就完全不一样。3D顾名思义就是在以往采用平面设计的闪存上，立体堆叠更多的闪存—如果以前的普通闪存是平房，那么3D NAND闪存就是摩天大厦。这样一来可以有效提升单位面积内的闪存容量、降低成本。厂商也不再需要一味追求生产工艺，转而堆叠更多的层数就可以了。当前英特尔的3D闪存单颗Die可堆叠32层，并借助FG浮栅极技术，较其他厂商的3D NAND拥有更大的存储容量。

如闪存类型为MLC，其单颗Die的容量可达32GB，如果为TLC，则单颗Die的容量更可达到48GB（其他厂商的3D NAND闪存单Die容量一般为32GB TLC、16GB MLC）。而一颗闪存芯片里最多可集成8颗Die，也就是意味着一颗TLC闪存芯片的容量即可达到最大384GB，打造总容量达10TB的SSD也不是难事。

英特尔SSD DC P3520系列1.2TB主要由26颗英特尔3D NAND MLC闪存、一颗SSD主控芯片、五颗美光缓存芯片组成。

PCB正反两面一共配备5颗美光内存颗粒作缓存，标准工作频率为DDR3 1866。

同时，3D NAND MLC闪存的采用也为消费者带来了实际的好处。采用3D NAND MLC闪存的英特尔SSD DC P3520系列1.2TB在美国新蛋上的售价在619美元左右（折合人民币4300元），而其他采用普通平面MLC闪存的英特尔企业级SSD价格则明显高过它。如英特尔的消费级SSD 750系列1.2TB的售价还在810美元左右，采用SATA接口的DC S3510系列1.2TB售价也在637美元。

当然，3D NAND MLC的耐用性还是比不上英特尔的HET MLC闪存芯片（采用HET闪存芯片的英特尔企业级SSD写入寿命一般可达到10PB以上，可支持每天全盘写入10次以上，并连续使用5年），但仍拥有不短的写入寿命—本次测试的1.2TB产品标称可写入寿命达到1480TB，2TB产品更可达2490TB。而为了进一步提升稳定性，英特尔SSD DC P3520系列产品也都拥有长达200万小时的MTBF平均故障间隔时间，并支持LDPC纠错与掉电保护技术。

这款固态硬盘也选择了在英特尔SSD 750系列与DC P3700系列上使用过的CH29AE41AB 18通道主控芯片

采用32层堆叠技术的英特尔3D NAND MLC闪存

固态硬盘正面覆盖有大型铝制散热片，可有效解决NVMe SSD发热量大的问题。

同时为了保证性能，英特尔SSD DC P3520系列也采用了在P3700上出现过的CH29AE41AB 18通道NVMe主控芯片，配备了5颗美光DDR3 1600内存，总计1.25GB的容量做缓存，用于存放FTL映射表。当前英特尔SSD DC P3520系列共有450GB、1.2TB、2TB三种容量可以选择，每种容量都有PCIe插卡式与2.5英寸U.2两种产品形态供消费者选择。接下来，就让我们通过对其中1.2TB产品的体验来看看这款采用3D NAND MLC SSD到底有怎样的表现。

远胜普通消费级NVMe产品高队列深度性能突出

为了让各位读者能更直观地了解英特尔SSD DC P3520系列固态盘的性能，我们采用一款拥有PCIe 3.0 x4带宽的东芝饥饿鲨RD400消费级NVMe SSD与它进行了对比。这款NVMe SSD的接口带宽达到4GB/s，再加上对NVMe技术的支持，其规格指标也非常强悍。接下来就让我们从测试中来看看，英特尔SSD DC P3520系列会有怎样的表现？

基准测试

首先从AS SSD基准测试来看，在连续读取速度上，英特尔SSD DC P3520系列的优势并不明显，较消费级NVMe SSD还有一定的距离。不过在写入性能上，它的优势较大，其连续写入速度逼近1400MB/s，领先消费级NVMe SSD约400MB/s。而在对服务器至关重要的随机4KB高队列深度性能上，它的表现更远远优于消费级NVMe SSD。其中DC P3520的AS SSD随机4KB QD64读取IOPS达到307651，而消费级NVMe SSD只有它的70.8%。在写入性能上也是如此，DC P3520的AS SSD随机4KB QD64写入IOPS达到285641，消费级NVMe SSD则只有178586IOPS，仅为英特尔SSD DC P3520系列性能的62%。因此最后在AS SSD总体性能评估上，英特尔SSD DC P3520系列固态盘的性能也领先了近1000分。

PerFormance Test+IoMeter服务器应用环境测试

当然基准测试只是一方面，接下来我们还采用PerFormance Test与IOMeter测试了英特尔SSD DC P3520系列固态盘在实际服务器应用环境下的性能。首先在PerFormance Test的文件服务器测试、网络服务器测试中，英特尔SSD DC P3520系列固态盘均以一定的优势领先消费级产品。而在考察从QD1到QD4、QD16、QD32、QD64、QD128多个队列深度，更为专业的IOMeter服务器环境测试中，英特尔SSD DC P3520系列固态盘在高队列深度下表现出的优势就更加突出。

在PerFormance Test异步QD128的文件服务器测试与异步QD64的网络服务器测试中，英特尔SSD DC P3520相对于东芝饥饿鲨RD400都有一定的领先优势。

东芝饥饿鲨RD400的文件服务器与网络服务器测试性能

从QD1～QD16低队列深度来看，在这些环境下，消费级NVMe SSD往往还具备一定优势，毕竟普通用户面对的往往只是启动一个游戏、打开一个图片处理软件或是同时浏览一下网页、视频。而服务器应用环境下，存储系统所面对的则是大量连线用户在短时间内的读写访问需求，因此它必须拥有极强的并发任务处理能力暨高队列深度随机IOPS性能才能满足需求。从测试来看，自QD32开始英特尔SSD DC P3520系列的IOPS性能就超越了消费级NVMe SSD，并在QD128下将领先幅度扩大到12818IOPS。

网络服务器测试中，两者在高队列深度下的性能差距更大，英特尔SSD DC P3520系列始终保持着随着队列深度增加、IOPS性能不断增加的正比关系，而消费级NVMe SSD则在QD16以后，IOPS性能就出现停滞甚至有所下降，因此在QD128的高队列深度下，英特尔SSD DC P3520系列的IOPS性能领先幅度达到了40724IOPS。

最后在工作站、数据库服务器下的测试也是如此，在QD128下，英特尔SSD DC P3520系列在工作站应用环境下较消费级产品的领先幅度也达到了14065IOPS。总体来看，虽然英特尔SSD DC P3520在低队列深度下的性能并不耀眼，但在QD32～QD128高队列深度下，英特尔SSD DC P3520系列均表现出了极强的并发任务处理能力，队列深度越高其展现出的IOPS性能就越强，显然它非常适合用于有大量用户同时访问的服务器存储设备。

维护很轻松完善的工具箱软件

我们知道，由于闪存先天的读写机制（无效数据不会立即擦除、写入数据时需要擦除整个数据块），因此SSD存在越用越慢的情况。同时对于注重寿命的服务器存储产品来说，一般也不会将垃圾效率设置得非常高，所以为了避免SSD在长时间使用后性能大幅下降，英特尔特别为SSD DC P3520系列配备了固态驱动器工具箱。

固态驱动器工具箱中的SSD Optimizer与安全擦除功能，可有效恢复SSD在长时间使用后的性能。

该工具箱有几大功能，如SSD Optimizer可以对SSD强制执行Trim功能删除无效数据、清理出空白块，从而提升SSD长时间使用后的性能。而安全擦除则可永久删除SSD上的所有数据，包括分区信息，将SSD的性能恢复到初始状态。同时固件更新、诊断扫描功能也能大大简化工作人员对服务器存储设备的定期维护。

追求性能、耐久度、价格三者平衡的企业级SSD

综合以上测试，我们认为英特尔SSD DC P3520系列是一款在性能、耐久度、价格上努力达成平衡的产品—性能上借助支持NVMe技术的18通道主控芯片，3D NAND MLC闪存，它的高队列深度性能非常突出，远远优于消费级NVMe SSD，能够满足服务器应用的需求；而在价格与耐久度上，3D NAND MLC的采用大幅降低了SSD的成本，虽然其耐久度比不上英特尔的HET高耐久度闪存颗粒，但却比TLC闪存要好很多，往往1TB TLC SSD的标称写入寿命也就只有240TB，寿命仅有英特尔SSD DC P3520系列1.2TB的16%，再加上五年免费质保，也为用户提供了可靠的保障；更值得一提的是英特尔SSD DC P3520系列诱人的性价比，1.2TB 619美元的价格甚至比一些同容量消费级NVMe SSD还要便宜。

因此如果您的服务器或工作站存储设备并不需要一天全盘写入10多次，对耐用度的要求也不是十分苛刻，但需要强大的性能与实惠的价格，那么英特尔SSD DC P3520系列就是为这类需求量身打造的优质解决方案。

MLC与TLC同根生，Intel 3D NAND技术大揭秘

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