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nand是缓存吗看了这么多固态硬盘科普，终于真正搞明白TLC闪存和SLC缓存

发布时间 : 2024-11-23

作者 : 小编

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看了这么多固态硬盘科普，终于真正搞明白TLC闪存和SLC缓存

除了极个别MLC和QLC型号，现在我们能够买到的固态硬盘基本都使用了TLC闪存，今天为大家介绍一些不为众人所知的TLC秘闻。

为什么TLC写入速度比较慢？

闪存用存储电子来记录和表达数据，存储电子的部件叫Floating Gate浮动栅极。通过在Control Gate控制栅极施加一个参考电压，并判断源极与漏极是否导通，就能判断浮动栅极中是否存储有电子，从而实现闪存中数据的读取。

东芝在1984年发明了NAND闪存，最早的NAND闪存属于SLC类型，即每个存储单元可以记录1比特数据。对于SLC闪存来说，闪存FT浮动栅极中有电子代表0，没有电子代表1。

闪存写入过程其实就是将一部分的1转换成0，即给FT浮动栅极"充入电子"。擦除过程就是将栅极的电子全部"放掉"，使它们变回1。

给栅极"充电"的过程需要分步进行，逐渐增加"阈值电压"，每进行一步就与预先定好的不同数据定义的分界线——"参考电压"进行一次对比。SLC的一个存储单元只需表达一个比特的数据，只要区分0和1就好，所以只需要用到一个参考电压。

而MLC闪存要表达2比特数据就需要区分11、01、00和10四种状态，用到四种参考电压。MLC闪存的写入过程因此变得比SLC慢许多。

到了TLC时代，每个存储单元需要记录3比特数据，二进制信息增加到8种，需要用到7种参考电压来隔离这8种状态。TLC的写入过程也就需要更多次的比对和确认，写入速度随之降的更低了。

为什么只有SLC缓存而没有MLC缓存？

pSLC Mode是将部分TLC闪存单元当作SLC使用，从而大幅提升短时突发写入速度的技术。同样的，将TLC临时当作MLC来操作就是pMLC mode。不过pMLC Mode很少被人提起，这是因为它看起来不如pSLC那样划算，下图是某闪存在不同模式下的数据指标：

虽然把TLC模拟成更高级的闪存使用能够缩短读取和写入所需时间，但每个闪存单元能容纳的数据也变少了，综合之后pMLC甚至有可能不如TLC读写速度快。不过pMLC的出错率较低，可以适应那些纠错能力比较低的闪存控制器，应用在部分工业用途当中。

3D堆叠有没有解决TLC的难题？

过去平面闪存使用FT浮动栅极层作为电子的容器，当代3D闪存主要使用CT电荷捕获层存储电子。下图是平面闪存与东芝BiCS三维闪存的结构对比：

由于BiCS结构增大了存储单元间隔，就可以增大单次编程序列的数据量来提升写入速度。同时，由于读写干扰降低，闪存数据出错率下降，BiCS也带来更高的写入/擦除循环次数，也就是我们平时说的"写入寿命"。

TLC写入速度的增长还可通过结构改进升级

TLC写入速度方面的短板主要依靠提升并发度来实现。目前一个闪存die通常具备两个Plane平面：

东芝计划在下一代BiCS5 96层堆叠3D闪存中将平面数量提高到4个，从而令闪存写入速度翻倍。

科技一直在进步，TLC虽然不美好，但似乎也没那么糟糕。

全盘不掉速？探寻三星宝藏固态870EVO的背后

当我们说到固态硬盘性能的时候，我们往往会关注最大连续性能，或是4K随机表现，这种瞬时达到的极限数值，而会忽略可能更有实践意义的SLC Cache的巅峰性能以及持久性。

01关于SLC Cache

说到了SLC Cache，实际上是一种平衡了性能和成本的、为用户提供更好性能从而解决应用难题的两全方案。众所周知，基于闪存内部电子负荷数量的不同，闪存在绝对速率、寿命以及采购成本方面成正比，即电子负荷越少，闪存绝对速率越高，寿命也越长，采购成本同样也会拉高，当然就绝对数值而言最优秀的闪存颗粒，无疑是内部仅排列一个电子负荷的SLC了。

固态硬盘内部构造

既然公认的SLC是绝佳的闪存，为何不进行大规模量产和应用呢？自然是成本采购的缘故，作为电子消费品，固态硬盘的普及之路，必然需要考虑成本和商品定价，过高的采购成本，让作为绝对优质的SLC闪存基本无缘消费级市场，即使是在企业级或是数据中心集群领域，大规模SLC产品配置也是不常见的。

这就如同眼看着一座金山却又无法开采，空有极致性能却无力承担采购成本，有没有一种方式，既能够体验到SLC闪存的极致性能，又能稳定采购成本呢？于是模拟SLC技术应运而生了，这个技术其实解释起来也非常简单，即工程师们在MLC、TLC等采购成本较低的多排列颗粒内部，划出部分区域，用来模拟SLC颗粒的工作流程，使得在这个容量区域内的存储性能，能够达到原生SLC颗粒的性能表现；当存储容量超过划定区域后，则调用其他区域的常规颗粒，恢复到原生颗粒的性能表现。

闪存颗粒

这样便在相当程度上，即保留了SLC颗粒的绝对性能，又维系了固态硬盘的采购成本，达到了共赢的效果。

02三星二代智能TurboWrite缓存技术

说到SLC Cache技术的发展，自然也离不开引领和深耕固态硬盘行业数十年，全球领先的存储巨头三星品牌存储的推进和创新。

三星品牌存储对于SLC Cache技术，有着自己的一套技术逻辑，并为此进行了多次迭代，并应用到了诸如三星870EVO等最新产品之上。

内置第二代智能TurboWrite缓存技术

三星870EVO，是三星品牌存储最新研发的，针对拥有大容量存储需求的商务、游戏和内容创作者等多场景多应用人群，量声定制的，其中三星自研的第二代智能TurboWrite缓存技术的加持，更是让此款固态硬盘堪称“宝藏”了。

所谓第二代智能TurboWrite缓存技术，也就是SLC Cache技术，原理上大同小异，依旧是在一定存储容量范围内，用其他类型的闪存颗粒，模拟原生SLC颗粒的性能表现，让用户在圈定的容量范围内，能够感受和体验到SLC级别的性能，并解决实际的存储应用问题。

图源于三星

创新之处在于，和常规SLC Cache技术不同，TurboWrite缓存技术更加强调智能，所谓智能，指的是通过三星自研的内置固件，系统可以自动识别当前固态硬盘的存储负载，并智能调节TurboWrite缓存的工作模式，即在低负载，小规模存储任务下，TurboWrite将启用固定的模拟SLC存储空间，用于满足用户的性能需求；当存储任务超过固定空间后，进行高负载的大规模存储任务时，TurboWrite将智能调整动态的缓存空间，以满足存需求。

03宝藏固态的全盘不掉速

而三星870EVO，在低容量版本下，依旧遵循以上的存储规则，而当达到1TB版本以上的高容量时，三星870EVO展现了恐怖的性能表现，堪比全盘SLC闪存颗粒的绝对性能。

经过笔者的实测，以三星870EVO 4TB版本为例，无论是在文件基准，还是常规基准，两种测试维度下，全盘写入时基本维持在最高连续写入530MB/S的狂暴性能。

基准

文件基准

究其缘由，一方面是绝对容量达到了一定层级后，二代智能TurboWrite缓存技术，能够拥有更大的空间进行智能化的缓存模拟，最终实现了全盘高性能的强悍表现；另一方面，则是内置的三星原生增强型1xx层的第六代V-NAND 3bit MLC颗粒，带来的体质优势。

绝对性能

全盘不掉速，持续高性能，带来的不仅仅是数值上的震撼，具体到应用场景上，商务办公方面可以无惧各种类型，容量不一文件的快速存储，高效且更稳定；游戏方面，无论是游戏自身文件的传输和转移，还是大规模长久游戏对于存储的持续需求，三星870EVO的持久高性能，都能轻松圆满的完成；最后，值得关注的是内容创作领域，在内容创作阶段，连续大规模的素材载入，不同软件间的动效切换，甚至各种剪辑特效的相互叠加，以及最终全视频的输出和渲染，都实时考验着硬盘的IO性能，870EVO能够始终保持高性能的IO特性，以及高达4TB容量的存储空间，绝对是助力内容创作的绝对神器。

集性能和容量与一体，兼具理论和应用为一身，二代智能TurboWrite缓存技术的加持，三星870EVO真可谓是宝藏固态了。

目前，这款堪称宝藏的三星870EVO固态硬盘，正在三星存储京东旗舰店热销中，近期有存储需求的朋友，这款宝藏固态绝对不容错过。

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