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对nand写入总结写入不掉速！比SLC还要快的X-NAND QLC闪存究竟怎么做到的？

发布时间 : 2024-11-24

作者 : 小编

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写入不掉速！比SLC还要快的X-NAND QLC闪存究竟怎么做到的？

从SLC、MLC一路发展到TLC和QLC，NAND闪存的写入性能正以肉眼可见的速度快速降低。如果不是有SLC缓存遮羞，固态硬盘的写入速度恐怕要比几年前4倍甚至更多。

固态硬盘在变得便宜的同时，读写速度也在不断恶化，对于追求高性能的玩家来说很难接受。硅谷企业NEO Semiconductor研发的X-NAND技术或将成为NAND闪存的大救星：它理论上可以让QLC闪存比现有的SLC更快，同时还能保持低价。唯一的差别是，X-NAND无法提升闪存写入寿命。

增加Plane提高并发：

QLC自身的写入速度大约只有SLC闪存的1/8左右，提高数据读写的并发度是改善闪存性能的主要方向。目前3D NAND闪存已开始从2 Plane设计向4 Plane设计转变。

铠侠的XL-Flash超低延迟闪存为了提高性能更是采用了16 Plane等设计。不过要将16 Plane设计普遍应用到3D闪存中却并不经济：Page Buffer的数量会同步提升，并导致闪存芯片面积急剧增大，进而让闪存的制造成本上升。这也是XL-Flash只能专注于高性能存储而难以惠及消费级SSD的原因。

NEO Semiconductor更改了NAND闪存的设计，将Page Buffers容量降低到1KB来避免16 Plane设计在成本的增加。

X-NAND理论上可将闪存读写速度提高16倍，同时由于位线长度和电容的降低，随机读取速度以及写入验证速度也将大大提高。

按照NEO Semiconductor公开的数据，X-NAND技术可令QLC闪存的随机读写性能提高3倍、顺序读取速度提高27倍、顺序写入速度提高14倍。

提升之后的X-NAND QLC将比当前SLC闪存的顺序读写速度更快一些，但随机读写性能依然落后于真正的SLC闪存。不过，X-NAND技术同样可以用于SLC闪存，让SLC变得比现在更快。

加速鸡血永不停的奥秘：

回到大家最关心的“写入不掉速”问题上来。NEO Semiconductor承诺让QLC闪存可以始终以SLC缓存的速度进行写入，而不会出现缓存用完、速度暴跌。相信很多朋友和小编一样，怀疑这是不是真的。

NEO Semiconductor在最新的白皮书中解释了其中的原理。X-NAND充分发挥了Plane数量增加的红利，让不同分组的闪存交替以SLC写入、QLC释放和闪存擦除三种模式循环工作。

根据NEO Semiconductor的数据，32 Page的数据连续写入到8个Plane耗时6400μs，而将这些数据读取后并发写入到QLC Page所需的时间大约也是6400μs，这么一来一去，就可以保障数据可以始终保持全速写入而不发生掉速。

小容量设备的福音：

X-NAND的一个重要优势是它可以普惠众生，而不仅仅是面向昂贵的高端企业级SSD。

Plane数量的增加使得闪存并发存取性能提升，小容量的闪存也能提供可观的读写速度（特别是写入速度）。在外部接口（SATA/PCIe）总带宽固定的情况下，闪存性能的提升还可以降低对主控闪存通道数量的需求，进而降低SSD主控的成本。

灵活多变，满足每个人的需求：

每个人对存储性能的需求是不同的。硬件发烧友和电竞玩家追求极致性能，普通家用倾向于均衡的性能和成本，办公和教育市场可能更喜欢够用就好的高性价比SSD。X-NAND的Plane数量并非固定在16个，减少Plane数量意味着闪存芯片成本的降低，可以制造出速度相对不那么快、但价格更低的闪存。

NEO Semiconductor在去年的FMS闪存峰会上首次公开X-NAND，目前它们已经获得了相关技术专利，但它们不会自己利用这些技术进行闪存生产。所以我们什么时候能够实际体验到上述新技术优势，在一定程度上取决于世界主要闪存制造商会不会向NEO Semiconductor购买专利授权，或者它们自己是否已经有了类似的专利储备，并最终将其量产。总的来说，NAND闪存的发展前景是光明的，我们无需担心写入速度一步步向着HDD水平滑落而没有选择。

内存为SSD加速？Plexturbo 是福利还是幌子？

作者：黑山老妖LYN

不知不觉，我玩DIY已经超过20年了。从1994年暑假我第一次自己动手组装了一台PC，到现在已经过去了22个年头。22年对一个人来说，可以发生很多事情，从懵懂的初中生，转眼年近不惑。22年来，机械硬盘历经了IDE接口、SATA 1.0～3.0等接口，容量从几百兆发展到今天主流的6TB，速度从几十K/秒飙升到今天主流的两百兆/秒，但依然被认为是现在PC的性能瓶颈所在。因此硬件厂家希望用固态硬盘来给PC的存储系统提速。曾经有厂家的SSD广告词是这样写的——“想要快，用固态”。固态硬盘从出现到今天也有几个年头了，从最初的SATA，逐步发展到mSATA、M.2、PCIE、U.2等众多更高速的接口，速度也从几百兆/秒提升到了两千多兆/秒。但是大家还是不满足，有SSD厂家为了让固态硬盘速度更快，设计出了用内存给SSD做缓存的软件，浦科特的Plexturbo就是这样的一款软件。很多用过Plexturbo的用户都知道，打开Plexturbo之后SSD的AS SSD Benchmark跑分会离奇的高，甚至可以达到两三万，比普通SSD的得分翻了二三十倍之多。那么使用Plexturbo之后在实际应用中究竟能不能获得如此高的性能提升呢？下面就来实测一下浦科特Plexturbo究竟是玩家福利，抑或只是一个看上去很美的幌子而已。

浦科特 M6S+ 256G SATA3固态硬盘

测试前先晒几个老古董。今天下午偶然翻了翻抽屉，居然翻到了三个古董硬盘：希捷2.1G、迈拓20G、昆腾火球40G。这三个盘现如今都还是能够正常使用的，接上易驱就可以接USB接口进行读写了。以前的硬件虽然贵，但是确实耐用啊。迈拓、昆腾，曾经都是盛极一时的行业老大，无奈都已经OVER。其名字与3DFX、DFI、ABIT一样，都成为了老一代玩家美好的回忆。希捷则依然坚挺的活着，不过在固态硬盘厂家的围剿之下，收购了SSD主控厂商Sandforce（LSI），也加入了固态硬盘的战场。我忍不住用这三个古董HDD与SSD合了影，与后面的测试内容无关，但也算是另外一种形式的致青春吧。

（最高16.6MB/s的持续读写速度，比起今天SSD的随机4K速度都不如啊）

虽然PlexTurbo经过破解后可以应用于其他品牌的SSD上，但是为了保证PlexTurbo原汁原味，所以这次测试我还是选择了浦科特的M6S+ 256G。选择这样一款主流的中端MLC SSD，测试所得的结果比较有代表性。

M6S Plus 256G依然是采用浦科特传统的绿色PCB。PCB正面是一颗9188主控芯片+四颗NAND闪存+一颗缓存芯片。铝合金外壳上有导热垫把主控芯片和铝合金外壳连在一起，更有利于主控的散热。Marvell 88SS9188主控代号"Monet Lite"，双核心设计，核心频率384MHz，支持4通道，每通道4CE，合计16CE。作为一款Marvell 9189缩减版的节能型主控，9188主控支持SATA 6Gbps Rev 3.1规范，支持Queued Trim Command，提高了Trim指令的适用性，降低了写入放大。缓存芯片采用海力士的DDR3L颗粒，编号为H5TC4G63AFR-PBA，单颗容量512MB，频率为1600MHz，CL=11。NAND闪存采用了东芝原厂的15nm MLC颗粒，编号为“TH58TEG9DDLBA8H”，单颗容量 64GB，共4颗组成256GB。东芝15nm MLC NAND改良了外围电路技术使得接口速率达到533MBPs，相比19nm工艺的NAND性能提升1.3倍，每个核心的理论写入速度高达25MB/s。

★关于Plexturbo★

测试前先说一下浦科特的Plexturbo技术。我记得Plexturbo是从M6E的时代开始出现的，最开始的时候只对浦科特M6E、M6P等高端产品开放，现在已经普及到浦科特全线产品上，连使用TLC NAND的低端M7V都能够开启Plexturbo。

Plexturbo在浦科特的官方宣传资料上被称为——特跑，智能缓存技术。利用系统内存作为HDD或者SSD的缓存来使用，其实并不是一种新技术，很久以前就已经有了Ramdisk、FacnyCache等很多的软件。但是Plexturbo经过几个版本的改进之后，与这些传统软件相比又有了一些自己的特点。PlexTurbo 中有一个叫做Intelligent Boost Engine（IBE）的智能型加速引擎技术，能够自动侦测反复读写（热数据）及较少读写（冷数据）的数据，分析并记录下用户最常使用的热数据，并把它们放在内存中，而将冷数据释放出系统缓存，这样就可以提高下次访问时的响应速度。而有些热数据是经常需要修改的，如果每次修改后都写入NAND中的话，不仅速度慢，而且会缩短SSD的使用寿命，所以PlexTurbo把常用的热数据放置于内存中，没有更新的部分就不用再重新写入一次，等到数据有更新时才写入NAND，能够尽可能避免常用文件在固态盘里的擦写，在一定程度上延长SSD的寿命。对于热数据，PlexTurbo还有预载加速的特点，在下次开机时能够预先把热数据加载到缓存中，提高热数据的读取速度。如果在一台计算机中安装了多个SSD，PlexTurbo还支持为多个SSD分别设置内存作为缓存，总共可启用最大容量16GB的系统内存作为SSD的缓存。

★关于Plexturbo的安装和设置★

首先看看软件的安装简易程度。从官网下载PlexTurbo后解压即可安装。安装时可以自定义缓存大小（最大16GB，根据实际的内存容量而变化），还可以设定释放缓存数据的时间（最大4小时）。以后每次修改缓存容量和释放时间都需要重新启动系统才有效。而在释放缓存数据的时间设置上需要注意，时间设置得越长，那么理论上可以更好的减少SSD的写入数据量，但是在死机或者突然断电的情况下容易丢失数据。而如果把时间设置得越短的话，数据的安全性就越高，但是对SSD的写入则越频繁。我个人的建议是10分钟是最合适的。

老妖虽然有很多硬件，但现在手上居然没有4条8G的内存可以来玩32G内存。因此只能采用2条4G+2条8G的搭配。首先实测PlexTurbo在不同容量内存下能够开启的缓存大小。首先是 24G内存，实测可以开启的缓存为4GB（大小不可调）。接着是16G内存，实测可以开启的缓存为2GB～4GB（大小可调）。最后是8GB内存，实测可以开启的缓存为1.98GB～3.96GB（大小可调）。

第二步是实测PlexTurbo开启后会不会长期固定的“霸占”内存。根据老妖以往的经验，不管是Ramdisk还是FacnyCache，只要设定了一定容量的内存作为虚拟硬盘或者硬盘缓存之后，这部分内存就被“霸占”了，不管实际有没有用到，都已经被从内存系统中划分出来。而开启PlexTurbo之后，内存的占用应该是动态的，如果目前没有在SSD中读写数据，那么设定为缓存的那部分内存依然属于内存系统并且是可用的。当开始在SSD中读写数据之后，才会占用这部分用作缓存的内存。

★Plexturbo性能实测★

接下来是作为重头戏的性能测试部分：

一、理论性能测试

首先跑一下SSD的常规五项。这部分测试其实不用跑大家也能猜到，开启PlexTurbo之后各项理论跑分肯定是杠杠的。看上去很美。实际使用中如果有这么美好就猴赛雷了。

开启PlexTurbo之前：

开启PlexTurbo之后：

第一项是菜鸟最喜欢的AS SSD Benchmark。浦科特M6S+的空盘得分1144，开启PlexTurbo暴涨到32240分。第二项是Anvil’s Storage Utilities，浦科特M6S+的空盘得分4278.04，开启PlexTurbo暴涨到56763.76分。这两个有计算得分的软件，增长幅度都高得离谱。另外的CrystalDisk Mark、ATTO Disk Benchmark、TxBENCH等三个软件虽然没有直观的分数，但是各个测试成绩也是呵呵呵啊。不过大家看看就好，真正的实用性测试还得看后面。因为是开启PlexTurbo之后的得分，所以在这里就不和普通的SSD做对比了。对比的对象改为高端的四款PCIE SSD，都是目前的顶级产品：三星950 PRO、intel 750、OCZ REVODRIVE 350 480G、影驰HOF PCIE 1GB。

测试成绩汇总对比与结果分析：

结果其实不用分析，因为M6S+开启PlexTurbo之后得分高得离谱，完全把目前最高端的几款PCIE SSD全部抛离。这是因为上面几款测试软件默认的测试数据块大小都在1GB以内，均小于PlexTurbo用于缓存的2GB内存容量，因此测试其实都是在内存中完成的，所以这样的成绩，其实是内存跑出来的。那么再来试试把测试数据块分别增加到5GB和10GB。

当把AS SSD的测试数据模块分别增加到5GB和10GB之后，测试成绩出现了大幅度的下降，AS SSD的得分下降为7410和3140，而且主要是以读取性能下降为主。当数据模块增加到10GB之后，深队列下的随机4K写入速度也出现了大幅度的下降。不过下降后的分数依然大幅度领先于普通的SSD。分数下降的原因很简单，和使用SLC Cache的道理一样，在缓存溢出的情况下，PlexTurbo已经没办法只在内存区域内读写数据，而是需要在SSD和内存缓存之间进行数据交换。因此对于PlexTurbo来说，缓存溢出的越多，性能下降也就越明显。

上面的这几项测试纯属过把跑分的瘾，看看并乐呵乐呵一下就好。那么PlexTurbo是否没有实际意义呢？下面的测试为你揭晓答案。

二、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，其中的存储设备测试部分有游戏、办公、图形处理等几个项目，因此测试成绩比上述几个软件都更能真实的反映出SSD的实战性能。更确切的说，是在普通家用、游戏以及小型办公情况下的SSD实际性能。PCMARK8中存储设备测试部分的测试数据量达到了几十G，远大于PlexTurbo用于SSD缓存的4GB内存容量，因此测试已经超出了内存的范围，是一个能够更真实反映浦科特M6S+开启PlexTurbo之后实际效能的测试。

（开启PlexTurbo之前）

（开启PlexTurbo之后）

未开启PlexTurbo的浦科特M6S+得分4979，这个分数已经能够和高端的SATA SSD火拼了，但比起高端的PCIE SSD来说依然是小弟弟的成绩。但是开启PlexTurbo之后的M6S+得分居然达到了5073，这个成绩已经和三星950 PRO持平，超过了INTEL 750和影驰HOF。

在各个子项目的测试成绩中，我们可以看出开启PlexTurbo之后，M6S+在游戏、办公、图片处理等我们日常中经常使用到的几个软件中确实都获得了不小的性能提升。各项成绩都与三星950 PRO在伯仲之间。从理论上来讲，PCMARK8的测试数据量已经大大超过了PlexTurbo的缓存空间，在缓存溢出非常明显的情况下，PlexTurbo技术比较有效的在缓存和SSD之间进行数据的交换和管理，使得SSD依旧能够从高速的内存缓存中获益，得到性能提升。

三、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M6S+开启PlexTurbo前后的性能表现差异。

从对比测试中可以看出，开启PlexTurbo之后，M6S+的系统启动速度并没有得到提升，估计是需要加载某些热数据的缘故，启动速度反而比未开启PlexTurbo之前稍慢了。而在游戏加载和Photoshop图片加载的测试中，其载入速度确实比开启PlexTurbo之前有了明显的提升。

★测试结论★

PlexTurbo与其他利用内存作为硬盘缓存的软件之间的差别：

1、PlexTurbo不会强制性“霸占”内存，在不需要使用时会自动释放内存空间；

2、PlexTurbo可以根据系统内存的大小来调整实际“征用”的缓存容量，最大不超过16GB，也不超过系统内存总容量的1/4；

3、PlexTurbo 利用Intelligent Boost Engine（IBE）智能型加速引擎技术可以把常用的热数据放置于内存中，提高数据交换的效率，减少SSD的NAND写入量。

总结：

PlexTurbo作为一款使用内存作为SSD缓存的加速软件，在理论性能测试中的跑分是非常惊人的，翻个二三十倍不在话下，但是没有实际意义，因为实际使用中的性能提升绝对达不到二三十倍的幅度，因为日常实际使用中的数据量在绝大多数情况下都会超过理论测试中的数据模块。不过PlexTurbo在实际使用中确实能够提升SSD的效能，而且提升的幅度不小，在家用环境下能够让中端SATA SSD达到高端PCIE SSD的性能。而且在缓存容量大小为2GB～4GB之间时，其提升幅度几乎没有差别。也就是说，在缓存容量达到一定空间时，PlexTurbo在缓存溢出的情况下也能够较为合理的在内存与SSD之间进行数据的交换处理。另外一点就是内存频率的改变对PlexTurbo的效能影响并不大。不过PlexTurbo设置软件对缓存大小的调整还存在一定的瑕疵，例如安装24GB内存时只能固定使用4GB作为缓存。总的来说，PlexTurbo看上去很美，但并不只是一个美丽的幌子，而确实是一个能够在一定程度上提升SSD效能的玩家福利软件。

写入不掉速！比SLC还要快的X-NAND QLC闪存究竟怎么做到的？

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