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nand flash tlc NVME SSD选择TLC还是QLC?全方位对比测评给你答案
发布时间 : 2024-11-24
作者 : 小编
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NVME SSD选择TLC还是QLC?全方位对比测评给你答案

近年来NVMe协议的M.2固态硬盘,凭借着更高性能的表现,已逐渐获得市场认可,装机时首选NVMe协议的M.2 SSD也已成主流趋势。虽然同为NVMe协议的M.2 SSD,但由于存在TLC和QLC两种不同类型的闪存颗粒,使得SSD性能截然不同。QLC虽然提升了容量但其性能和寿命都不如目前技术成熟的TLC。ITheat热点科技选取了市面上分别代表TLC和QLC的几款主流NVMe SSD来做一次全面的对比横评,告诉你为什么现阶段,TLC更值得选购。

此次参与横评的三款NVMe SSD分别为西部数据 SN500、Intel 660P以及金士顿 A1000。 对于大多数消费者来说500GB足够作为系统盘再安装一些常用的软件,所以这三款硬盘的容量我们也都统一选择500GB规格。

我们还是来看一下三块SSD的具体规格参数。

西部数据 SN500的主要组成部分其实只有一颗TLC NAND Flash闪存芯片和一颗主控,总写入为300TBW,并且其主控芯片以及闪存颗粒用的都是自家产品。毕竟西部数据在闪存方面的技术积累深厚,全球第一个3D 64层和96层3D闪存技术都出自西数之手,采用自家的主控与闪存颗粒自然也能够更好地发挥闪存的性能,成本也相对更低。

而金士顿 A1000则是采用了群联的PS5008-E8主控,512MB的DDR3L缓存芯片以及四颗128GB的东芝TLC闪存颗粒芯片,总写入也为300TBW。

Intel 660P搭载了惠荣SMI2263主控,256MB的DDR3缓存芯片以及两颗QLC闪存颗粒,总写入为100TBW。另外值得一提的是西部数据 SN500与金士顿 A1000都是走的PCI-E 3.0 x2通道,而Intel 660P则是走的PCI-E 3.0 x4通道。

相信大家都知道对于SSD来说,闪存颗粒这样的核心元器件是影响SSD性能表现的最大因素之一。目前主流的NVMe SSD大部分都是选择TLC类型的闪存颗粒,比如此次参与测评的西部数据WD Blue SN500与金士顿A1000都是搭载3D NAND TLC 64层闪存颗粒。也有小部分固态硬盘则是采用了目前还并不算常见的QLC闪存颗粒,比如Intel 660P就是配备的3D NAND QLC 64层闪存颗粒。那么TLC与QLC有什么区别,哪一个更好呢?

首先是在稳定性与寿命方面,QLC由于单位存储密度更大,是TLC的两倍,所以其电压更难控制,从而影响到性能以及稳定性;而Intel 660P采用QLC闪存的写入总数据量大约为100TBW,只是同样容量西部数据 SN500采用TLC闪存的三分之一左右,因而我们也能够对比出QLC寿命相较于TLC会低很多。在性能方面,虽然采用QLC闪存颗粒的SSD在缓存容量内也能够达到与TLC相近的读写速度,但是一旦缓存耗尽后其持续写入速度将会大幅下跌,甚至速度会不敌传统的机械硬盘。

不过QLC闪存颗粒也不是没有优势,它的生产成本相较于TLC更低,虽然目前QLC的技术可能还不够成熟,但是也许在未来随着成本的下降,取代机械硬盘也不是没有可能。当然,这还需要时间去验证,作为消费的我们也不用着急,如果QLC技术发展更为成熟,肯定会有很多闪存厂商争先恐后推出容量更大,价格更优的SSD。

测试平台

介绍完毕,接下来我们就通过软件以及实际应用场景的测试来看一看哪一款SSD表现最出色吧。

首先是CrystalDiskMark,经过测试我们可以看出西部数据 SN500的顺序读写分别为1751.9MB/s与1465.7MB/s;金士顿 A1000顺序读写分别为1601.7MB/s与1042.8MB/s;Intel 660P顺序读取达到1843.6MB/s,但是写入垫底,仅有981.7MB/s。总体来看西部数据 SN500,表现更好。

而在4K Q32T1的测试项目中,西部数据SN500的读取为439.3MB/s,写入为348.2MB/s;金士顿 A1000的读取为535.6MB/s,写入为524.8MB/s;Intel 660P的读取为345MB/s,写入为541.6MB/s。英特尔的写入表现最好,而金士顿的读取表现最好。

在AS SSD BenchMark测试中,西部数据SN500达到了3453分,而金士顿则为2438分,Intel 660P最低,仅为1851分,三款SSD的差距表现还是很大的。

西部数据 SN500读写分别达到1582MB/s与1385MB/s。金士顿 A1000的读写成绩分别为1379MB/s与943MB/s;而Intel 660P表现与之前相似,读取达到最高,达到了1685MB/s,但是写入最低,仅有925MB/s。

在4K测试项目中,西部数据 SN500读取速度为27.31MB/s,写入达到了149.83MB/s,金士顿 A1000的读取达到25.79MB/s,写入为110.78MB/s,Intel 660P在三者中读取最佳达到了44MB/s,写入也有144.34MB/s,仅稍弱于西部数据 SN500。

同样,在TxBenchMark测试中,西部数据 SN500顺序读写分别为1700MB/s与1463MB/s。金士顿 A1000顺序读写分别为1587MB/s与1040MB/s;Intel 660P读取达到1791MB/s,稍强于西部数据 SN500,但是又一次在写入方面落后于前两者,仅有996MB/s。

而在4K Q32T1的测试中,西部数据 SN500的读取509MB/s,写入为445MB/s;金士顿 A1000的读取为522MB/s,写入为501MB/s,Intel 660P的读取为340MB/s,写入为521MB/s。

通过上面的三款软件测试我们可以看出其测试结果都表明在顺序读取方面,Intel 660P表现最好,稍稍强于西部数据 SN500,金士顿 A1000最弱;顺序写入方面西部数据 SN500拥有最佳的表现,并且能够拉开另外两款SSD较大的差距;而在4K读取方面,Intel 660P表现最好,领先于西部数据 SN500与金士顿 A1000;4K写入方面,三者虽然互有胜负,但综合来看还是Intel 660P更强一些,但是相较于另外两款SSD并没有绝对性的优势。

在PCMark 8的测试中,我们测试西部数据SN 500的硬盘速度为401.44MB/s,金士顿 A1000为271.79MB/s,而Intel 660P略高于金士顿 A1000,达到了287.23MB/s,不过其成绩相较于西部数据 SN500仍然有较大的差距。

上面我们有提到固态硬盘在缓存之内能够有更好的读写表现,但是缓存用完之后速度则会降下不少,有的固态硬盘还是动态缓存或是虚拟缓存。存储的文件越多,可用的缓存就越少,降速就越快,所以我们也用HD TUNE PRO对这三款硬盘进行了测试。

通过测试可以发现西部数据 SN500的缓存最少,仅有大约6GB左右,但其读取还是写入都是三者最高,虽然缓存少掉速比较早,但是掉速之后的读取仍然有1500MB/s左右,而写入也还有750MB/s上下。

而金士顿 A1000则表现更好一些达到了24GB左右,在读取上与西数SN500几乎相当,但是写入更低,掉速之后只有500MB/s。

Intel 660P软件测试的结果是拥有70GB左右的缓存,这个结果还是令我们大吃一惊的。不过其写入与读取速度没有前两者高,在掉速之后写入就像跌进了深渊,差不多100MB/s的速度,简直不敢让人相信这是NVMe协议的SSD。根据这个测试结果,我们推测Intel 660P可能是采用了全盘模拟SLC缓存设计,一旦存储的容量达到了一定程度,SLC缓存量就会降低,并且性能也会有十分明显的降低;而金士顿 A1000则可能是动态SLC缓存设计,性能会随着硬盘可用空间的减少而逐步下降。

当然软件测试反应的只是SSD的理论水平,而SSD在实际应用中的表现其实是我们更加应该关注的,为此我们也进行了以下比较贴合实际生活应用的测试。

首先是实际的文件拷贝中我们也能够很清楚地看到在空盘状态下,将一份大小为30GB的文件分别复制到三块SSD中,三者都保持了较高的写入速度,没有出现性能下降异常的状况。

其中西部数据 SN500在缓慢降速后依然保持约750MB/s的速度,耗时35秒;金士顿 A1000降速来的更晚,但是降速后速度要低于西数 SN500,所以也耗时35秒;而Intel 660P的写入要稍弱于前两者,最终耗时39秒。

西部数据 SN500

金士顿 A1000

Intel 660P

但将三块SSD都装满一半的容量时再进行该项测试,我们可以发现其中西部数据 SN500能够在初始速度保持较高的写入,后面虽然开始降速,但确实一个缓慢的过程,而且降速之后也能够稳定维持在750MB/s;而金士顿 A1000降速到515MB/s后,表现也算比较平稳;Intel 660P在复制文件时,缓存相对较多,降速时间相对靠后,但是降速之后硬盘的速度便惨不忍睹,仅维持在60MB/s左右的速度,甚至不如普通的机械硬盘速度。

最终西部数据 SN500耗时35秒,与空盘状态下保持一致;金士顿 A1000耗时52秒,相较于空盘状态下的35秒已经有了较大的差距,这说明金士顿 A1000随着硬盘可用空间的减少,实际的性能已经受到影响;而Intel 660P更是耗时215秒,与空盘状态下的表现已经是天壤之别,随着硬盘文件存储的增加,Intel 660P的性能下降十分地明显。考虑到我们在日常使用时硬盘存储的数据会越来越多,所以金士顿 A1000与Intel 660P在实际使用中降速问题应该会越来越明显,西部数据 SN500在这方面则会有更好的表现,即使随着硬盘可用空间的减少也不会有性能下降的问题出现。

Intel 660P 存储50%以上状态

在硬盘存满一半的空间之后,我们也再次对Intel 660P进行了软件测试,在HD TUNE的测试中,其缓存并没有像之前一样拥有70GB,而是在4GB左右时就彻底降速,之后便一直维持着不到100MB/s的写入速度。这也印证了我们上面的猜想,Intel 660P采用了全盘模拟SLC缓存的设计,随着硬盘可用空间的减少,SLC缓存量也越来越少,性能表现越来越差。

金士顿 A1000 存储50%以上状态

而金士顿 A1000缓存也从24GB减少到12GB,这也印证我们的猜想,金士顿 A1000是采用了动态SLC缓存的设计,随着硬盘可用空间的减少,SLC缓存量也会逐步降低,性能也会随之降低。

西部数据 SN500则是和之前保持一致,缓存容量依旧为6GB左右,降速后依旧保持着750MB/s左右的写入速度,这说明其不会出现硬盘可用空间减少性能也随之下降的情况。所以再次综合对比来看在实际应用中,西部数据 SN500能够保证在硬盘存储大量数据之后依旧保持最佳性能,而其它两款SSD则会有性能下降的表现,特别是Intel 660P的掉速情况最为严重。

接下来是实际日常环境应用的测试,解压一个30G大小的压缩包。

我们日常生活中也是会比较经常解压文件,而30GB的文件解压测试,西部数据 SN500耗时1分39秒,金士顿 A1000耗时2分15秒,Intel 660P总耗时7分10秒。三者的成绩还是比较大的,西部数据 SN500表现最好,金士顿 A1000落后其半分钟左右,而Intel 660P则与前两者有比较大的差距了。

此外我们也测试了三款SSD在安装与载入LOL游戏时的表现,其中安装方面,西部数据 SN500表现最好耗时8分11秒,金士顿 A1000耗时8分23秒,Intel 660P耗时8分18秒,三款SSD的表现有一定的差距但是不大;而载入方面三款SSD的差距则并不明显,都保持了较高的水准。

在进行读写测试时,我们也测试了这三款SSD的发热表现,毕竟SSD长时间处于较高温度的状态也可能会导致发生降速、不稳定的情况,并且夏天快来了,机箱里还是少点温度更好。

通过热成像仪测试我们可以看到,在室温为25℃的情况下,三款SSD中西部数据 SN500全速运行时最高温度为50.3℃,金士顿 A1000的温度则为52.4℃,而Intel 660P则达到了70.4℃,远高于前两者。

总结:

综合以上的软件测试以及实际场景应用测试得出的数据,我们也做了一个汇总数据对比表格,其中每个测试项目的最优成绩都已用黑体加粗。

通过表格直观的数据对比,我们可以看到软件测试中西部数据SN500在顺序写入和4KQ1T1写入方面的表现最为出色,Intel 660P则是在读取方面更为优秀,而金士顿A1000则整体表现平平。在SLC Cache、PCMark 8、文件拷贝压缩、游戏以及散热的对比环节,西部数据SN500可以说是一骑绝尘,完全是对Intel 660P和金士顿A1000碾压级别的表现,并且考虑到这部分的数据表现更影响日常使用感受,更贴近真实使用体验,所以我们认为西部数据SN500的性能表现是这三款SSD中最为优秀的。

最后,SSD毕竟不是快消品,购买SSD还是要从寿命以及长久使用的稳定性等多方面来考虑。虽然参与测评的三款SSD都拥有5年官方质保,但是西部数据SN500与金士顿A1000采用TLC闪存颗粒在相同容量下的写入寿命是Intel 660P采用QLC闪存颗粒的三倍,所以目前来说还是TLC闪存颗粒更加值得选择。再综合硬盘性能来抉择的话,毫无疑问西部数据 SN500是三款中最值得选购的。

NAND Flash层数之争:谁先触抵天花板?

得益于5G、大数据、云计算、物联网、人工智能等新兴产业的快速发展,存储器需求呈现倍数增长,发展空间广阔。其中,NAND Flash作为半导体存储器第二大细分市场,自然也备受关注。

回溯NAND Flash的历史

经历了半个世纪发展的半导体存储技术,如今已逐渐成熟,其衍生出的存储技术中包括Flash技术。

Flash技术分为NAND Flash和NOR Flash二种。虽然NOR Flash传输效率很高,但写入和擦除速度很慢,容量也较小,一般为1Mb-2Gb,常用于保存代码和关键数据,而NAND Flash能提供极高的单元密度,可达到高存储密度,适用于大量数据的存储。NAND Flash具有写入、擦除速度快、存储密度高、容量大的特点,也因此迅速成为了Flash主流技术。

NAND Flash技术自问世以来,已经积累了近40年的发展底蕴,并已成为存储器第二大细分市场。按存储单元密度来分,NAND Flash可分为SLC、MLC、TLC、QLC等,对应1个存储单元分别可存放1、2、3、4bit的数据。目前NAND Flash主要以TLC为主,不过QLC比重正在逐步提高。

值得一提的是,被提出很多年但一直没有商用落地的PLC终于露出水面。

今年8月初,SK海力士旗下NAND闪存解决方案提供商Solidigm在闪存峰会上展示了全球首款正在研发的PLC(五层单元)SSD。与QLC(四层单元)SSD相比,PLC SSD可在每个存储单元内存储5bit的数据。

NAND闪存从SLC、MLC、TLC、QLC及PLC一路走来,容量逐步上升,可市场更关心的是性能、可靠性、寿命、成本等问题是否也可以跟着优化。据Solidigm介绍,在相同的空间内,使用PLC SSD存储数据量可增加25%,可以用来解决固态存储未来的成本、空间和能耗等问题。该款SSD将首先用于数据中心产品,具体发布和上市时间待定。

从闪存结构来看,为满足各时期的市场需求,NAND Flash技术已从2D NAND升级到3D NAND,再到4D NAND。

时光追溯到1987年,时任日本东芝公司工程师岡本成之提出的一项发明彻底改写了人类信息时代的面貌,即2D NAND。当时东芝(2019年更名为铠侠)虽占据NAND Flash市场先机,但东芝战略重心偏向DRAM市场,忽略了NAND Flash的发展潜力。之后,英特尔和三星迅速加入市场,推出了2D NAND产品。

随后,全球厂商都围绕着2D NAND进行研发,随着2D NAND的线宽已接近物理极限,3D NAND应运而生

2007年,东芝推出BiCS类型的3D NAND。2D NAND的含义其实是二维平面堆叠,而3D NAND,顾名思义就是立体堆叠。3D NAND的到来,让NAND Flash技术直接从二维升华到三维的密度。

按英特尔的说法,2D NAND就像在一块有限的平面上建平房,这些平房整齐排列,随着需求量不断增加,平房的数量也不断增多,可面积有限,只能容纳一定数量的平房。相较于2D NAND,3D NAND则可以在同一块平面上建楼房,楼层越高,容量也就越大,在同样的平面中楼房的容积率远远高于平房,提供了更大的存储空间。可见,随着市场对存储性能需求的提升,2D NAND过渡到3D NAND是大势所趋的。

3D NAND自2007年进入大众视野后,2014年正式商用量产

2013年,三星推出第一代V-NAND(三星自称3D NAND为V-NAND)闪存。据三星介绍,V-NAND技术采用不同于传统NAND闪存的排列方式,通过改进型的Charge Trap Flash技术,在一个3D的空间内垂直互连各个层面的存储单元,使得在同样的平面内获得更多的存储空间。虽然该款堆叠层数仅为24层,但在当时却打破了平面技术的瓶颈,并使3D NAND Flash从技术概念推向了商业市场。

2014年,SanDisk和东芝宣布推出3D NAND生产设备;同一年,三星率先发售了32层MLC 3D V-NAND,这也意味着3D NAND正式商用化。继三星之后,美光也实现了3D NAND商用化。凭借其在容量、速度、能效及可靠性的优势,3D NAND逐渐成为行业发展主流。

3D之后,4D NAND悄然来临 。SK海力士在2018年研发的96层NAND Flash已超越了传统的3D方式,并导入4D方式,该款也成为了全球首款4D NAND Flash。

据了解,4D NAND技术是由APlus Flash Technology公司提出,其技术原理是NAND+类DRAM的混合型存储器,采用了“一时多工”的平行架构,而3D NAND只能执行“一时一工”。若一到十工同时在4D闪存系统执行时,其速度会比3D NAND快一到十倍。虽然相比3D方式,4D架构具有单元面积更小,生产效率更高的优点。不过,目前市面上还是以3D NAND为主。

从平房到摩天大楼,各大原厂的谋略

随着应用领域和使用场景愈发多样化,市场对NAND Flash的要求也随之提升,譬如想要更高的读写速度、最大化的存储容量、更低的功耗和成本等。可采用二维平面堆叠方式的2D NAND已经不再能满足市场的需求,这一切也促使NAND厂商必须谋定而后动,之后便沉下心来埋头研发,NAND Flash结构也从平房蜕变到摩天大楼。

采用三维平面堆叠方式3D NAND虽大大增加了存储空间,但如何突破3D NAND层数瓶颈,堆叠更高的摩天大楼,一直是市场的焦点,也是NAND厂商研发的痛点。在此之下,一场有关NAND Flash的层数之争已持续数年,NAND厂商早已吹响冲锋集结号,这一路也取得了不少的成就。

自2012年24层BiCS1 FLASHTM 3D NAND Flash之后,铠侠还研发出了48层、64层、96层、112层/128层。2021年,铠侠联手西部数据突破162层BiCS6 FLASHTM 3D NAND Flash。今年5月,西部数据与铠侠未来的路线图指出,预计2024年BiCS+的层数超过200层,如果一切按计划进行,2032年应该会看到500层NAND闪存。

最早在3D NAND领域开拓疆土的是韩国厂商三星。2013年8月,三星推出V-NAND(3D NAND)闪存,这也是全球首个3D单元结构“V-NAND”。之后,三星还陆续推出了32层、48层、64层、96层、128层、176层的V-NAND。2021年末,三星曾透露正在层数200+的V-NAND产品,目前暂未披露相关信息。

作为韩国第二大存储厂商的SK海力士也不甘落后,在2014年研发出3D NAND产品,并在2015年研发出36层3D NAND,之后按照48层、72层/76层、96层、128层、176层的顺序陆续推出闪存新产品。2022年8月3日,SK海力士再将层数突破到238层的新高度,该层数是当前全球首款业界最高层数NAND闪存,产品将于2023年上半年投入量产。

2016年,美光发布3D NAND,虽然发出时间晚于三星等上述几家厂商,但后期美光的研发实力不容小觑。在2020年美光抢先推出当时业界首款176层3D NAND,后又于2022年7月率先推出全球首款232层NAND,该产品现已在美光新加坡工厂量产。美光表示,未来还将发力2YY、3XX与4XX等更高层数。

目前从原厂动态来看,SK海力士和美光率先进入200+层时代,其中NAND闪存业界最高层数为SK海力士的238层,其次是美光的232层。主流技术NAND Flash 3D堆叠层数已跨越176层、232层、迈进238层,未来原厂还将发力200+层、300层、400层、甚至500层以上NAND技术。

在2021年IEEE国际可靠性物理研讨会上,SK海力士预测,3D NAND未来将达到600层以上。另有一些行业专家认为,3D NAND可以堆叠到1000层。可见,隔NAND Flash技术的天花板还有很高的距离。

△Source:全球半导体观察根据公开信息整理

NAND Flash未来既柳暗,又花明?

此前在5G手机、服务器、PC等下游需求驱动下,NAND Flash市场以可见的速度在增长。可今年,受疫情反复、通货膨胀、俄乌冲突等因素影响,全球形势变化多端。同时,存储器市场供需与价格波动时刻受产业发展动态影响,而作为存储器市场的主要构成产品之一,NAND Flash也不例外。

01、供需失衡

从消费端看,PC、笔电、智能手机等消费电子市场需求疲软,也影响到中上游产业链。其中,智能手机需求萎缩明显,出货量也随之减少。据TrendForce集邦咨询表示,受到传统淡季的加乘效应,使得2022年第一季智能手机生产表现更显疲弱,全球产量仅达3.1亿支,季减12.8%。

业内人士普遍认为,持续下降的最大原因是消费者使用智能手机的时间比以前更长。再加上智能手机技术更新快,新型号手机的性能与之前型号并无特别大的差距,从某种程度上看,这也降低了消费者的购买欲。

从供应端来看,TrendForce集邦咨询7月表示,由于需求未见好转,NAND Flash产出及制程转进持续,下半年市场供过于求加剧,包含笔电、电视与智能手机等消费性电子下半年旺季不旺已成市场共识,物料库存水位持续攀升成为供应链风险。因渠道库存去化缓慢,客户拉货态度保守,造成库存问题漫溢至上游供应端,卖方承受的抛货压力与日俱增。

TrendForce集邦咨询预估,由于供需失衡急速恶化,第三季NAND Flash价格跌幅将扩大至8~13%,且跌势恐将延续至第四季。

02、原厂持坚定信念

受手机与个人电脑等消费电子市场需求疲软等因素影响,美光于6月悲观预测,今年第四财季营收为72亿美元,上下4亿美元浮动,这一数据低于业界预期;又于8月再度下调第四季度业绩指引,该季度经调整营收将位于或低于此前预计的68-76亿美元区间下沿。

此前美光首席执行官Sanjay Mehrotra在财报电话会议上表示,预计智能手机销量将较去年下降约5%,而个人电脑销量可能比去年下降10%,美光正在调整产量增长,以适应需求的减弱。不过,TrendForce集邦咨询8月在最新的研究指出,受到高通胀冲击,全球对于消费市场普遍抱持并不乐观的态度,基于周期性的换机需求以及新兴地区的新增需求带领下,智能手机生产量仍会小幅上升。

SK海力士此前也预测,由于搭载存储器的电脑和智能手机的出货量将低于原来的预测,并且服务器用存储器的需求也因客户的库存优先出货,预计下半年的存储器出货量将有所放缓。不过中长期来看,数据中心的存储器需求将持续成长。

三星、SK海力士、美光、西部数据、铠侠等存储器原厂在最新财报中均表示虽然部分市场需求疲软,但都坚定看好产业未来前景,各原厂保持坚定的信心也为存储器市场扫去部分阴霾。

据TrendForce集邦咨询最新研究显示,NAND Flash仍处于供过于求状态,但该产品与DRAM相较更具价格弹性,尽管预期明年上半年价格仍会走跌,但均价在连续多季下滑后,可望刺激enterprise SSD市场单机搭载容量成长,预估需求位元成长将达28.9%,而供给位元成长约32.1%。

结 语

长远来看,NAND Flash市场前路虽柳暗,但花明。同时,NAND厂商马不停蹄地研发,今年有的再上升一个台阶,有的还在停步研发,最终谁先触抵NAND Flash层数天花板,我们静待观之。

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