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

发布时间 : 2024-11-26

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。

入门级SSD如何选？高端TLC or 低端MLC？

作者：黑山老妖LYN

为了争夺入门级SSD的市场份额，从2015年开始很多厂家都先后推出了采用TLC NAND颗粒的SSD产品，价格也不断的创出新低。一直没有推出TLC SSD的intel和浦科特两家一线厂家也都在近期高调发布TLC SSD新品。之前炒得很热门的浦科特第一款TLC SSD产品M7V现在已经正式上市，M7V按照接口的不同又细分为两个型号：SATA接口的为M7VC，M.2接口的为M7VG。零售价格是：SATA接口M7VC中128G定价279元，256G定价459元，512G定价869元。M.2接口的M7VG中128G定价369元，256G定价569元，512G定价1239元。这个定价已经与很多低端MLC SSD持平，那么廉价的入门级SSD应该怎么选？是买高端TLC SSD，还是买低端MLC SSD呢？这次就通过M7V的实测来帮大家分析一下。

浦科特 M7VG 128G M.2 2280固态硬盘

浦科特M7VG 256G介绍

先来看看这次的主角：M.2接口的浦科特M7VG 256G。M7V M.2接口与SATA接口一样都是采用新一代的Marvell 88SS1074主控+东芝原厂15nm eTLC NAND颗粒。

M.2接口的浦科特M7V，在包装上要比SATA接口版本的包装Q很多，透明塑料的包装外壳，包装盒正面按照老惯例标明了具体型号和各个不同容量版本SSD的最大读写速度，M.2接口的具体型号为M7VG，而SATA接口的具体型号为M7VC。M.2版本的外包装上没有和SATA版本那样详细的注明缓存、电压、电流、MTBF等参数，同样也未注明是采用TLC NAND颗粒。

M.2版本的SSD在外观上就肯定没有SATA版本那么花哨了，没有彩色的外壳，只有裸露的PCB加上各种芯片。不过浦科特M7V上贴了很多标签，如果要看清楚各种芯片，就需要把标签撕下来，我个人的做法是用吹风筒的热风轻轻吹一下，就可以揭开各种标签，注意不要整个撕下来，轻轻卷到一边就好，等下用热风再吹一下，就可以卷回去，不影响保修。M.2接口的M7V是2280的规格，绿色PCB的正面是一个主控芯片+一个缓存颗粒+两个NAND颗粒。PCB的背面则是空白一片。

M.2接口也称为NGFF接口，基于PCIE M.2协议。与SATA接口不同，M.2占用的是PCIE通道，因此它可以获得更充裕的带宽和更快的传输速度。目前SATA3接口的理论传输速率最高只有6Gb/s，大概相当于600MB/s的传输速度。面对飞速提升的固态硬盘读写速度，SATA3接口已经成为高速公路上的瓶颈。而M.2接口的理论传输速率可以达到10Gb/s，相当于1G/s的传输速度，部分走PCIE 3.0总线的Ultra M.2甚至号称达到32Gb/s。M.2接口的设计非常灵活，可以通过金手指部分的两个缺口来定义接口模式。小的缺口是B key，单独使用B key时为“Socket2”，此时仅运行在PCI-E 2X传输模式下，速度较低但可以提高对SATA3的兼容性。大的缺口为M key，当B key和M key同时使用时为“Socket3”，此时运行在PCI-E 4X传输模式下，真正发挥M.2接口的速度优势。主板上的M.2接口上一般都有“Socket2”或者“Socket3”的标识。

M.2接口的M7V使用的主控芯片与SATA版本一样，都是Marvell的第五代SATA主控88SS1074B1，这是一款针对15nm NAND Flash推出的四通道主控，最高只能支持512G容量。其特点如下：

支持SATA 6Gb/s接口标准；

采用先进的28nm CMOS制造工艺；

可以支持15nm制程的TLC/MLC/SLC和3D堆栈闪存；

支持DEVSLP休眠模式以实现低功耗；

以400MT/s的速率支持ONFI 3/Toggle 2接口标准；

支持256位AES加密技术。另外还支持Marvell的第三代NANDEdge纠错技术和LDPC低密度奇偶校验技术。

从浦科特官方的宣传资料来看，M.2接口的M7V和SATA版本一样，支持 PlexTurbo 、PlexCompressor、PlexVault 三个浦科特自家的SSD 应用软件。在使用寿命方面，官方说法是最高支持2000PE。与之前浦科特采用MLC NAND的SSD有所不同的是，M7V新增了PlexNitro效能优化缓冲技术，我们知道，之前浦科特采用MLC NAND的SSD都没有采用SLC Cache技术来提高使用体验。而M7V是TLC SSD，所以现在同样也需要使用SLC Cache技术。浦科特官方的资料中也说明了PlexNitro是以“SLC Mode”优化效能表现，并且标明了各个容量版本的SLC Cache空间大小。

128G版本的Cache空间为1.5GB，256G版本的Cache空间为3GB，512G版本（官方图片资料中错标为521GB）的Cache空间为6GB。

缓存由单个南亚的缓存颗粒组成，编号分别为NT5CC256M16DP-DI，为DDR3L 1600颗粒，CL=11，容量为512MB。

NAND颗粒编号TH58TFT0UHLBAEF，从编号上来看，是BGA封装的东芝原厂Toggle NAND，15nm制程，属于企业级的eTLC，单颗容量为128GB，一共两颗组成256G。

一个SSD的性能主要由主控芯片、缓存、NAND颗粒三者共同决定，其中最关键的是主控和NAND。主控除了决定性能外，还确定了SSD在纠错、垃圾回收、压缩算法等方面的特点。NAND除了决定性能外，还关系到SSD的使用寿命等问题。目前最常见的NAND有SLC、MLC、TLC三种。SLC速度快、寿命长，具有约10万次擦写寿命，但是价格昂贵，目前只有少数高端企业级产品在使用；MLC的速度与寿命都逊于SLC，大概5000次擦写寿命，但是因为价格适中，目前被主流SSD广泛使用；TLC速度比MLC更慢、寿命更短，约500—1000次擦写寿命，但是价格更加便宜，目前一般被低端SSD所使用。

为了提高MLC的寿命，很多厂家在生产MLC时会对晶圆进行筛选，选出部分优质的晶圆作为企业级的eMLC颗粒。厂家还通过调整eMLC的内部参数来达到增加P/E的目的，现在eMLC的PE甚至可以达到10000次。目前TLC SSD普及的有利因素是价格，不利因素则是使用寿命问题。很多NAND厂家就通过筛选TLC晶圆来生产eTLC颗粒，即企业级的TLC颗粒，目前东芝eTLC NAND已经号称能够达到2000 PE的水平，虽然达不到MLC的3000-5000 PE，但是比普通的TLC提升了一倍。

浦科特M7VG性能实测

下面就来实测M.2接口的浦科特M7V的实际性能究竟怎么样。

测试平台用我新入手的ROG Maximus VIII Formula主板，搭配我托人从TW带回来的特挑威刚XPG Z1 DDR4 3200。M8F主板主打RBG信仰灯，颜值秒杀仲基老公。威刚XPG Z1 DDR4 3200虽然不是灯条，但是默认小参非常喜人，XMP直接上DDR4 3200 16-16-16-36，电压1.35V，海力士SKhynix H5AN4G8NMFR-TFC颗粒，金黄色马甲。默认电压模式时序轻松上DDR4 3466。

一、理论性能测试

首先测SSD的常规五项：AS SSD Benchmark、CrystalDisk Mark、ATTO Disk Benchmark、Anvil’s Storage Utilities、TxBENCH。这五款软件都能够测试SSD的最大持续读写速度，AS SSD Benchmark可以测得SSD在队列深度QD64下的随机4K读写速度，CrystalDisk Mark和TxBENCH可以测得SSD在队列深度QD32下的随机4K读写速度，Anvil’s Storage UtilitiesSSD可以测得队列深度QD4、QD16下的随机4K读写速度。ATTO Disk Benchmark则主要是测SSD的最高持续读写速度。

在AS SSD Benchmark测试中，浦科特M7VG的得分达到了1136分，Anvil’s Storage Utilities的得分为4552.60，这两个分数都与SATA接口的M7VC 512G非常接近，已经超过了大多数的中端MLC SSD，是目前为止我见过的跑分最高的TLC SSD。CrystalDisk Mark测得的持续写入速度达到了535 MB/s。在各个队列深度下的随机4K读写性能也都非常不错。目前TLC SSD最大的短板就是持续写入速度和深队列下的随机4K写入性能。而M7VG的理论性能测试成绩比之前已经算很强的OCZ Trion150系列还要好，这主要是得益于Marvell 88SS1074主控和更先进的SLC Cache机制。

测试成绩汇总对比与结果分析：

在上面几个软件的理论性能测试中，浦科特M7VG 256G的表现基本和SATA接口的M7VC 512G持平，可见基于SATA主控的SSD产品，不管是采用M.2接口还是SATA接口，其性能本质依然是SATA级别的，并不会因为采用了M.2接口就有量的提高。在与其他二十几款SSD的横向对比中，M7V依靠SLC Cache的爆发力，在SSD的常规五项测试中甚至超越了很多MLC SSD，很多测试成绩居然和浦科特3月新发布的M6S+非常接近。而且还有一点就是单队列的随机4K写入性能偏弱，很多测试中速度只有100MB/s左右，这个可能与主板M.2接口走PCH的延时较高有关系。整体来说，M7V的理论测试成绩已经是非常的不错，不仅完胜其他几款TLC SSD，甚至能够跻身中端MLC SSD的性能水平。不过这仅仅是理论性能测试，后面还有实际应用的测试。

接着进行满盘的性能衰减测试，按照惯例使用软件对M7V进行反复的大量数据写入，写满、删除、再写满、再删除。当M7V被反复填满数据后，再删除2GB数据以提供空间给运行CrystalDisk Mark使用。M7V即使在几乎100%空间被占用的情况下，依然能够保持接近空盘时的性能，这个应该得益于更加先进的SLC Cache机制和浦科特的True Speed技术。

二、M7VG的SLC Cache机制对比

由于TLC NAND的写入性能要低于MLC NAND，所以目前几乎所有的TLC SSD都采用了SLC Cache技术来提高测试成绩、改善用户使用体验。SLC Cache技术的原理其实很简单，就是把部分空间模拟SLC颗粒来运作，各个厂家的具体操作方式又各不相同，用于SLC Cache的空间大小设置也不同。

前面已经提到过，浦科特M7V系列中128G版本的SLC Cache空间为1.5GB，256G版本的SLC Cache空间为3GB，512G版本的SLC Cache空间为6GB。下面来对比一下M7V的SLC Cache机制。对比参照物选择的是240G的OCZ Trion150，因为Trion150同样非常强悍，而且SLC Cache空间大小的设置与M7V比较接近。OCZ Trion150采用群联S10主控+东芝原厂15nm制程的 TLC NAND颗粒，240G版本的SLC Cache空间大小约为4.5G。同样用于对比的还有SATA接口的M7V 512G（SLC Cache空间大小约为6G）。

下图是三个盘在测试数据模块分别设置为1GB、2GB、4GB、8GB、16GB时的CrystalDisk Mark测试图，左边为浦科特M7VC 512G（SATA），中间为M7VG 256G（M.2），右边为OCZ Trion150 240G。

在我以前测试过的TLC SSD中，当持续写入的数据模块大于SLC Cache空间大小时，持续写入性能就会出现断层式的下降，下降到TLC NAND的真实写入性能水平。而且此时主控会忙于尽快清理出更多的SLC Cache空间来供给测试使用，主控和缓存资源都被极大的占用，因此会影响到SSD的整体性能，尤其是深队列下的4K随机读写成绩。

当测试数据模块的大小设置为4GB时，虽然未达到OCZ Trion150的4.5GB SLC Cache空间的容量，但是Trion150的QD32持续写入速度和QD32随机4K读写速度已经出现了大幅度的下降。把测试数据模块的大小增加到8GB和16GB之后，Trion150的但单队列持续写入也同样出现了大幅度下降。再来看看M7V的表现，当测试数据模块的大小设置为4GB时，测试数据小于M7VC 512G的6GB SLC Cache，而大于M7VG 256G的3GB SLC Cache，因此M7VG 256G的主控开始要对SLC Cache空间进行清理，因此QD32的随机4K写入性能稍微出现了下降。而M7VC 512G的性能则变化不大。把测试数据模块的大小增加到8GB之后，测试数据模块已经都大于两款M7V的SLC Cache空间大小，但是两款M7V的性能下降幅度也并不大，尤其是M7VC 512G，性能下降非常微弱。而M7VG 256G的单队列持续读写和单队列随机4K读取性能下降的幅度就比M7VC 512G要大，此时SLC Cache空间大小的差距就体现了出来。当测试数据模块的大小设置为16GB时，M7VG 256G在性能上的下降幅度就比M7VC 512G要更明显一些。

通过以上的数据对比，基本上可以得出两个结论，第一是浦科特M7V所采用的Marvell 88SS1074主控在处理SLC Cache空间溢出时效率更高，在SLC Cache空间稍微不够用的情况下，主控通过及时的数据整理能够在很大程度上消除SLC Cache空间数据溢出对性能的影响。而当测试数据模块明显大于SLC Cache空间大小时（例如测试数据模块为16GB时）。Marvell 88SS1074主控表现出了很强的“救火”能力，虽然各项读写速度均有小幅度的下降，但是在QD32队列下的4K随机读写性能下降幅度明显要小于采用群联S10主控的OCZ Trion150。这个特点正好针对以往TLC SSD在遇到SLC Cache空间爆仓时出现深队列下随机4K读写性能暴降的缺点做了积极的弥补。第二则是针对浦科特M7V同系列的SSD，容量越大其SLC Cache空间越大，在应付SLC Cache空间爆仓时的救火能力也就越强，因此如果预算允许的话，还是应该尽量购买更大容量的M7V。

三、模拟实际使用环境性能测试

PCMARK8是目前最接近实际使用环境的模拟测试软件，其中存储设备测试部分有游戏、办公、图形处理等几个项目，其测试成绩比前面常规五项的几个软件都更能真实的反映出SSD的实战性能。更确切的说，是在家用、游戏以及普通办公情况下的SSD实际性能。在反复满盘写入、删除后进行PCMARK8测试就更能够反映出一个SSD在长时间使用后的实际性能表现。浦科特M7V 256G M.2的总分为4921。这个得分明显比前面的常规五项更能体现M7V在二十几款SSD中的性能定位。

PCMARK8的测试数据量十分巨大，达到了几十G，远远超过了M7V的SLC Cache空间，其测试强度绝非前面几款软件可以相提并论的。很多在常规五项中表现出色的TLC SSD，一跑PCMARK8就被打回原形。M7V在PCMARK8中的表现也没有在前面的常规五项中那么凶猛，但依然是最强的TLC SSD。在和中低端MLC SSD的对比中，虽然小幅度落后于中端的MLC，但同样可以小幅度领先于低端MLC SSD。对比闪迪加强版这种使用超低端SMI 2246XT主控的廉价MLC SSD，除了在PhotoShop重载测试中稍微落后之外，其他测试项目全部完胜。

从测试结果中可以看出，依靠Marvell全新的88SS1074主控+东芝原厂15nm eTLC NAND颗粒，TLC SSD在性能上已经获得了不小的提高，更先进的SLC Cache机制使得TLC SSD在性能上干掉低端MLC SSD成为现实。

四、实际使用测试

这部分测试主要从平时的实际应用中来测试浦科特M7V的性能表现。Windows系统的启动时间和游戏的加载时间上，M7V已经和很多中端MLC SSD持平。Photoshop的加载测试中，M7V落后于中端MLC SSD的幅度很小，而且依旧领先于TLC SSD和低端MLC SSD。

五、配套软件

一个硬件的做工用料好，是物质基础，而如果要用得舒心，那么配套软件也很重要，这就是所谓的软件附加值。软件是用户和硬件之间交互的桥梁。比如我测试平台中的华硕M8F主板，之所以敢卖那么贵，除了主板本身的品质之外，配套的软件也有很高的附加值，非常方便的就可以在系统里使用超频软件对CPU频率、内存频率和时序、风扇转速、各部分电压等各个超频参数进行调整。

现在很多知名品牌的SSD都附带有很好的配套软件。M7V和浦科特的高端产品一样，都能够支持PlexTurbo、PlexCompressor、PlexVault 这三款浦科特自家的SSD 应用软件。浦科特SSD通用的Plextool软件就不用多介绍了，能够监测SSD信息、读取SMART数据、进行Trim优化、SecretErase、固件升级等操作。

PlexTurbo之前只针对浦科特的高端SSD开放，现在M7V也同样能够使用。PlexTurbo以系统内存作为SSD的缓存，从而实现系统加速及减少NAND写入量的目的。PlexTurbo软件可以自由设定用于SSD缓存的系统内存大小和内存数据写入SSD的间隔时间。当交换的数据量小于内存缓存的时候，读写操作其实都是在内存内部进行，只有达到预定的释放时间后数据才会被真正写入SSD中。因此测得的SSD性能非常强劲（其实测的是内存），而且这样能够减少NAND的写入量，延长SSD的寿命。这个功能对于系统内存在16GB以上的用户比较实用，而且用在TLC SSD上我觉得比MLC SSD更有意义。

PlexCompressor是一套智能压缩软件，可以通过压缩文件来变相增加SSD存储空间。这个功能我本人基本用不到，因为我的SSD无论从数量和容量上都绝对够用。PlexVault则是一个加密软件，与之前的很多U盘加密软件原理一样，在SSD上划出一部分空间作为隐藏分区，平时这个分区在电脑里不会显示出来，等到需要访问的时候就按下快捷键，在弹出的对话框中输入正确的密码之后，“我的电脑”里就会出现隐藏分区的盘符。不过有两点需要注意，第一是一定要用浦科特的SSD作为系统盘才能够启用这个功能，第二是容量有限制。

总结

一、关于性能

因为Marvell 88SS1074是SATA主控，所以无论M7V是采用M.2接口还是采用SATA接口，其性能都是SATA级别的，只是接口不同而已。SATA接口的M7V具体型号为M7VC，M.2接口的M7V具体型号为M7VG。在性能上，M7VC=M7VG。现在相同容量的M7VG比M7VC稍微贵一点，但是在性能上是没有差别的，唯一的优势就是可以直接安装在主板上，省去走线的麻烦，所以大家应该根据自己的具体需要来购买。

从前面的各项测试中可以看出，浦科特M7V可以称得上是目前为止最强的TLC SSD。整体性能小幅度落后于中端的MLC，但是对比低端MLC SSD和其他TLC SSD有一定的领先优势。依靠Marvell全新的88SS1074主控+东芝原厂15nm eTLC NAND颗粒，TLC SSD在性能上已经获得了不小的提高，更先进的SLC Cache机制使得TLC SSD在性能上干掉低端MLC SSD成为现实。在PCMARK8的存储子项目测试中，对比闪迪加强版这种使用超低端SMI 2246XT主控的廉价MLC SSD，浦科特M7V除了在PhotoShop重载测试中稍微落后之外，其他测试项目全部完胜。这一点也说明TLC SSD的用户群应该是普通的家庭用户，在家用、游戏和小型办公的使用中，M7V已经接近甚至不逊于中端的MLC SSD。不过M7V依然无法完全摆脱TLC SSD在高负载下性能较弱的缺点。

二、廉价SSD如何选？

现在像浦科特M7V这样的高端TLC SSD定价其实与低端MLC SSD是基本持平的。那么预算相对较少的用户，应该如何在两者间进行选择？从性能特点上来看，浦科特M7V依靠Marvell 88SS1074主控+更先进的SLC Cache机制在性能上比以往的TLC SSD提升了一个档次，在家用情况下干掉低端MLC SSD已经不是问题。但是使用寿命这个问题依然是TLC SSD最大的硬伤。即使采用了企业级的eTLC NAND，但是PE数也只能提升到2000，比起MLC NAND的3000-5000 PE仍有不小的差距。所以，用户在高端TLC SSD与低端MLC SSD之间的选择，其实就是性能与理论寿命之间的选择。高端TLC SSD性能＞低端MLC SSD，高端TLC SSD理论寿命＜低端MLC SSD。而现在的低端MLC SSD，为了缩减成本以降低价格，很多都是采用超低端主控+正片NAND（例如某迪加强版），或者低端主控+白片NAND。如果要我选择的话，我自己会选择高端TLC SSD，因为性能的优势是现在马上可以感受到的，而寿命问题，其实还是一个未知数，eTLC NAND在理论上的寿命短于MLC NAND，而在实际使用中需要多少年才能用完2000的PE数？到时又有什么黑科技产品出来替代SSD都还不知道。所以我的建议是，预算充裕的话，绝对是考虑中高端名牌MLC SSD，而在预算比较有限的情况下，考虑大厂高端eTLC SSD比考虑低端MLC SSD要更实际一些。