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[PConline 杂谈]基于 NAND 闪存的 SSD 硬盘如今越来越被人接受，成为装机必选配件之一，HDD 机械盘越来越不受宠，如果不是过去两年存储芯片经历了一次长达两年的涨价，2018 年市场上应该可以普及 480-512GB 的 SSD 了，人们对 SSD 容量的需求也越来越大，继 TLC 统治 SSD 市场之后，QLC 闪存也闪亮登场了。
去年 7 月份东芝公司就率先宣布了 QLC 闪存，核心容量 768Gb，创造了 NAND 容量新纪录，今年 5 月底美光、英特尔也宣布了自家的 QLC 闪存，并且推出了新的 5210 ION 系列硬盘，正式商业化 QLC 闪存技术，可它的到来却让很多人充满怀疑，不少读者都在质疑 QLC 闪存的性能及可靠性，甚至认为这是一种倒退，那么实情到底如何呢？ 在了解 QLC 闪存之前，我们首先简单介绍下 NAND 闪存中不同类型到底都有哪些区别及优缺点吧。 NAND 闪存基本原理：QLC 容量大，但性能也变差了 NAND 闪存是靠存储单元能多少位信息然后施加不同电压才实现信息存储的，很多人都知道 NAND 闪存有 SLC、MLC 及 TLC 之分，现在又多了 QLC 闪存，那么它们之间到底有多少区别呢？
SLC：全称 Single-Level Cell，每个 Cell 单元存储 1bit 信息，也就是只有 0、1 两种电压变化，结构简单，电压控制也快速，反映出来的特点就是寿命长，性能强，P/E 寿命在 1 万到 10 万次之间，但缺点就是容量低，成本高，毕竟一个 Cell 单元只能存储 1bit 信息。 MLC：全称是 Multi-Level Cell，它实际上是跟 SLC 对应的，SLC 之外的 NAND 闪存都是 MLC 类型，而我们常说的 MLC 是指 2bit MLC，每个 cell 单元存储 2bit 信息，电压有 000,01,10,11 四种变化，所以它比 SLC 需要更复杂的的电压控制，加压过程用时也变长，意味着写入性能降低了，同时可靠性也下降了，P/E 寿命根据不同制程在 3000-5000 次不等，有的还更低。 TLC：也就是 Trinary-Level Cell 了，准确来说是3bit MLC，每个 cell 单元存储 3bit 信息，电压从 000 到 111 有 8 种变化，容量比 MLC 再次增加 1/3，成本更低，但是架构更复杂，P/E 编程时间长，写入速度慢，P/E 寿命也降至 1000-3000 次，部分情况会更低。 现在上市的 QLC 则是 Quad-Level Cell，或者叫4bit MLC，电压从 0000 到 1111 有 16 种变化，容量增加了 33%，但是写入性能、P/E 寿命会再次减少。 怎么理解这些技术变化？我们可以举个简单的例子，把 NAND 闪存当成大学的宿舍，SLC 闪存相当于博士宿舍，往往是单人间，所以成本高，但是博士能做的工作也更好，而 MLC 闪存就是硕士宿舍，两个人一间，成本是降低了不少，不过硕士做研究自然是不如博士的。 TLC 则是 3 人间的大学宿舍，QLC 则是 4 人间的宿舍，可能还是非热门专业的学渣聚集在一起，战斗力比起前面的三种要差很多，不过好歹也是大学生。
QLC 闪存与 TLC 闪存性能对比，写入性能进一步下降 具体到性能上，美光做过详细解读，首先读取速度没比 TLC 闪存差多少，SATA 接口中两者都可以达到 540MB/s 速度，QLC 闪存主要差在写入速度上，因为它天生的 P/E 编程时间就比 MLC、TLC 更长，速度更慢，连续写入速度从 520MB/s 降至 360MB/s，随机性能更是从 9500 IOPS 降至 5000 IOPS，损失将近一半，同时 MTTF 无故障间隔时间也从 300 万小时降至 200 万小时，性能、可靠性下降是没跑了。 3D 堆栈技术加持，QLC 闪存遇到了好时候 正如 TLC 闪存刚问世时遭遇的考验一样，性能、可靠性下降是 QLC 闪存必然的缺点，我们应该对 QLC 闪存感到担忧吗，或者说排斥 QLC 闪存？直觉上应该是这样，但是我们也要了解一点——如今的 NAND 闪存早进入 3D NAND 时代了，跟 2D NAND 时代不一样了，而 3D NAND 时代的 QLC 闪存也不同于 2D NAND 时代的 QLC 闪存，这是双方技术路线决定的。 在 2D NAND 闪存时代，厂商为了追求 NAND 容量提升，需要不断提升 NAND 制程工艺，所以 NAND 前几年从 50nm 不断进入 30nm、20nm 以及 10nm 时代，这好比处理器工艺不断升级一样，好处是提高了晶体管密度，提升了 NAND 容量，降低了成本，但是 NAND 工艺提升意味着也使得用于阻挡电子的二氧化硅层越来越薄，导致可靠性变差，而 MLC、TLC、QLC 闪存穿越二氧化硅层的频率逐级升高，也会导致氧化层变薄，这就是 P/E 寿命不断降低的原因。 但在 3D NAND 时代，提升 NAND 容量靠的不是微缩制程工艺了，而是靠堆栈的层数，所以工艺变得不重要了，NAND 厂商甚至可以使用之前的工艺，比如三星最初的 3D NAND 闪存使用的还是 40nm 工艺，可靠性要比 20nm、10nm 级工艺高得多。
也正因为此，QLC 闪存获得了 TLC 不一样的待遇，TLC 闪存刚问世时还是 2D NAND 闪存时代，所以遭遇了诸多寿命、性能上的考验，最初发布的 TLC 闪存 P/E 寿命只有 100-150 次，完全不能看，但美光、英特尔推出的 QLC 闪存直接使用 3D NAND 技术，P/E 寿命达到了 1000 次，完全不输现在的 3D TLC 闪存。 大家可能没注意到，这次首发的 5210 ION 硬盘是给企业级市场使用的，而非消费级市场，前者对可靠性的要求比消费级市场更高，英特尔、美光这么做说明对 QLC 闪存的寿命、可靠性有信心。 此外，P/E 寿命也不是不变的，随着 NAND 技术的进步、纠错技术的改良，P/E 寿命是会提升的，TLC 闪存就从之前的不足 500 次逐渐提升到了 1000 次或者更高水平，可靠性已经经过验证了，QLC 同样也会如此。 存储需求已经变了，超大容量 SSD 时代即将到来
QLC 闪存的问世有 NAND 厂商不断降低成本的需要，但这个问题从根本上来说是现在市场的需求正在改变，我们通常认为的存储需求是内存、SSD 及 HDD 而已，性能逐级降低，容量逐级升高，但是现在内存与 SSD 之间又多了一个 SCM（系统级存储），英特尔前几天发布的 NVDIMM 内存就是这种，它的性能比 DDR4 低，但高于 SSD 硬盘，同时断电也不损失数据。 SSD 与 HDD 之间也会多出一个层级，那就是超大容量 SSD，TB 级都是起步水平，未来容量达到 10TB 也是小菜一碟，不过这个超大容量 SSD 的性能是比不过现有 MLC、TLC 闪存硬盘的，它的目标是 HDD 硬盘。 没错，QLC 闪存一旦大规模量产，用它做的 SSD 硬盘写入速度可能也就是 200-300MB/s 左右，但是 5000+ 的随机写入性能依然远高于 HDD 硬盘，同时容量可达 10-100TB 级别。
东芝此前在发布 QLC 闪存时就给我们描绘了这样一个未来，100TB 容量的 QLC 闪存 SSD 性能跟 12 台 8TB HDD 硬盘组成的阵列差不多，都是 3000MB/s，但是 50K IOPS 随机性能远胜于 HDD 阵列，同时 0.1W 的待机功耗也远低于 HDD 阵列的 96W，这也是英特尔、美光首先在企业级市场发布 QLC 闪存的原因，在这部分需求上 QLC 硬盘硬盘是完胜 HDD 硬盘。 美光之前预测 2021 年时 SSD 平均容量可达 597GB，听上去并不高，但是他们还预测到时候每个 PC 用户平均会用 4 个 SSD 硬盘，这不是说我们买 4 个容量 600GB 的 SSD，更可能是这样一种组合—— 480/512GB 的 MLC 或者 QLC 硬盘做主盘，安装系统及常用软件，同时会有 2TB 甚至 4TB 的 QLC 闪存 SSD 硬盘做仓库盘，保存电影或者游戏，这种场合下读取速度居多，写入速度非常少，可以完美发挥 QLC 硬盘的优点而避开写入性能不强的缺点。 总结：
QLC 闪存的时代已经来了，除了美光、英特尔首发 QLC 硬盘之外，东芝、西数的 QLC 闪存也开始少量出货了，三星、SK Hynix 的 QLC 闪存也在路上，只是没有高调公开而已。 大家对 QLC 闪存的担心很正常，毕竟原理上来说 QLC 闪存就要比 MLC 甚至 TLC 要差一些，但是 3D NAND 时代的 QLC 闪存在可靠性上跟 2D NAND 时代的 TLC、QLC 完全不同，P/E 寿命不是问题，不会比 TLC 闪存差到哪里去。
QLC 闪存最大的诱惑就是未来容量更大，桌面市场上普及 10TB 容量就要靠它了，企业级市场甚至会做到 100TB 容量，完全不输 HDD 硬盘，同时 QLC 硬盘的连续性能、随机性能更完胜 HDD 硬盘，功耗、噪音等方面同样没有可比性，是真正可能取代 HDD 硬盘的选择。 |
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