偽SLC如何兼顧耐用性和經(jīng)濟(jì)性？

如今，在 NAND 閃存行業(yè)中，隨處可見存儲(chǔ)密度又達(dá)到新高的各種新聞。閃存早已實(shí)現(xiàn)了 100 層以上的技術(shù)，并且在短期內(nèi)似乎并沒有遇到瓶頸的跡象。

目前的趨勢是隨著層數(shù)穩(wěn)步提高的同時(shí)在每個(gè)單元中存儲(chǔ)更多位元。目前的主流技術(shù)是TLC（三層單元，Triple Level Cell），每個(gè)單元存儲(chǔ) 3 位元，其中的“層”指的是比特?cái)?shù)，而不是內(nèi)部狀態(tài)。需要存儲(chǔ)和讀取的內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)量是存儲(chǔ)的位元數(shù)的 2 次方——3 位就意味著需要識(shí)別 8 種不同的狀態(tài)。目前的趨勢是通過 QLC 技術(shù)（四層單元，每單元 4 位元）在相同尺寸的芯片中實(shí)現(xiàn)更大的存儲(chǔ)容量。QLC 具有 16 個(gè)狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)起來并不輕松。

隨著芯片每平方厘米所存儲(chǔ)的信息量的增加，可實(shí)現(xiàn)的寫入周期數(shù)也會(huì)相應(yīng)減少。SLC（單層單元，每單元 1 位）每個(gè)單元可以重寫 60000 到 100000 次，而 MLC（多層單元，每單元 2 位）的寫入次數(shù)減少到了只有 3000 次。在從平面 MLC 過渡到 3D TLC（2 位到 3 位）后，由于 3D 電荷捕獲型閃存具有更佳的單元特性，其被證明還是具有 3000 次循環(huán)壽命。QLC 會(huì)減少到 1000 左右，而下一個(gè)階段的 PLC（五層單元，每個(gè)單元 5 位 = 32 個(gè)狀態(tài)）會(huì)減少到小于 100。PLC 已經(jīng)通過了原型階段，以后會(huì)成為超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的主流 NAND，例如 Google 和 Facebook 的應(yīng)用方式，數(shù)據(jù)只寫入一次，然后頻繁讀?。╓ORM = 一次寫入，多次讀?。?。

嚴(yán)苛要求與高價(jià)格

與前述的應(yīng)用相對(duì)，頻繁寫入少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍然會(huì)存在，例如傳感器數(shù)據(jù)記錄、本地物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫和狀態(tài)信息記錄等。與寫入數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)相比，寫入幾個(gè)字節(jié)或數(shù)千字節(jié)的小數(shù)據(jù)包對(duì) NAND 閃存的損耗更快。

對(duì)于這些應(yīng)用而言，老技術(shù)的 SLC 是最好的存儲(chǔ)介質(zhì)。由于每個(gè)塊（Block）較小以及高達(dá) 100000 次的擦除周期數(shù)，使用 SLC 的存儲(chǔ)模塊通常會(huì)比設(shè)備本身的實(shí)際使用壽命更耐久。此外，SLC 溫度敏感性較低，對(duì)控制器的糾錯(cuò)能力要求也較低，所有這些都對(duì)長期穩(wěn)定性有積極影響。

然而，替換掉嚴(yán)苛要求應(yīng)用中的 SLC 的主要原因可以歸結(jié)為另一個(gè)重要的考慮因素：價(jià)格。SLC 技術(shù)正面臨“先有雞還是先有蛋”的困境：由于技術(shù)較老、成本更高，主流正在逐漸遠(yuǎn)離 SLC，同時(shí)這正是不值得將 SLC 轉(zhuǎn)換成更現(xiàn)代技術(shù)的原因。

偽 SLC 是具有競爭力的折衷

如今，采用 SLC 技術(shù)的單個(gè)芯片最大容量為 32 Gbit，典型芯片面積為 100 mm2。另一方面，普通的價(jià)格相似的 3D NAND TLC 芯片達(dá)到了 512 Gbit 的容量，不久后還會(huì)達(dá)到 1 Tbit。也就是說，TLC 技術(shù)的價(jià)格是 SLC 的 1/16。

讓我們從系統(tǒng)層面來看這種影響：TLC 控制器更復(fù)雜、更昂貴，使用 512 Gbit NAND 芯片的驅(qū)動(dòng)器最小容量為 32 GB。這對(duì)于數(shù)據(jù)中心或家庭用戶來說沒有什么問題。在使用TLC的情況下，某些尺寸的驅(qū)動(dòng)器容量往往會(huì)超過 1 TB。但是，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用或作為網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)的引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器而言，情況就有所不同。在這些情況下，盡管負(fù)荷更高，但通常幾 GB 容量就夠用了。

最理想的情況是大批量生產(chǎn)的采用最新 3D NAND 技術(shù)且具有成本效益的 SLC 芯片。SLC的定義是單層單元（即每單元一位），事實(shí)證明這對(duì)于所有最新的 NAND 閃存產(chǎn)品也是確實(shí)可行的。但是，必須讓內(nèi)部控制器只在兩種狀態(tài)下工作：已擦除和已編程，1 和 0。這種操作模式稱為 pSLC 或偽 SLC。

優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)

通過僅使用兩個(gè)內(nèi)部狀態(tài)，可以以較低的電壓實(shí)現(xiàn)編程。這可以保護(hù)存儲(chǔ)晶體管中敏感的氧化硅并延長其使用壽命。由于電子設(shè)備只需要區(qū)分兩種狀態(tài)，因此相比存在 32 種狀態(tài)的情況而言信噪比會(huì)高很多。與 TLC 和 QLC 相比，所存儲(chǔ)的值損毀所需的時(shí)間也更長。

這兩種效應(yīng)使得 pSLC 可實(shí)現(xiàn)的編程和擦除周期數(shù)從 TLC 的 3000 提高到了 30000 到 60000 之間。這種操作模式使TLC進(jìn)入了“真正”SLC 技術(shù)的范圍內(nèi)。

2D MLC NAND 也能在 pSLC 模式下運(yùn)行。在這種情況下，每個(gè)單元只使用兩個(gè)位元中的一個(gè)，因此容量減半。僅寫入一位也會(huì)有速度優(yōu)勢。在價(jià)格方面，顯然，每位的成本翻了一番，因?yàn)槊總€(gè)芯片只有一半的容量可用。使用 TLC 技術(shù)僅僅使用每個(gè)單元的三位中的一位。因此，要實(shí)現(xiàn)相同的存儲(chǔ)容量，成本將會(huì)是原來的三倍。盡管如此，這仍然比真正的 SLC NAND 便宜很多。

pSLC 所帶來的“新”存儲(chǔ)容量

芯片容量減少到原來的三分之一會(huì)使SSD的容量變得不那么常見。在二進(jìn)制的信息世界中，人們習(xí)慣于使用 2 的次方來計(jì)算容量，如64、128、256、512 GB 等。然而，隨著 3D NAND 的問世，閃存內(nèi)部需要更多存儲(chǔ)容量以實(shí)現(xiàn)緩存或 RAID 或預(yù)留空間（用于加速寫入和延長使用壽命）。所以最終的容量可能是 30、60、120、240、480 GB 等。

如果再考慮到 pSLC 減少三分之二容量，其結(jié)果會(huì)是不常見的驅(qū)動(dòng)器容量：480 GB TLC SSD 會(huì)變成 160 GB pSLC SSD，但是與 480 GB TLC SSD 一樣價(jià)格。使用固定的系統(tǒng)環(huán)境映像的嵌入式或網(wǎng)絡(luò)和通信市場的小容量產(chǎn)品仍然使用二進(jìn)制容量數(shù)值。對(duì)于這些情況，用戶可用容量會(huì)縮小到最接近的的二進(jìn)制容量，其優(yōu)點(diǎn)是使用壽命會(huì)再次不成比例地放大。但是，每 GB 可用容量的價(jià)格也略有提高。

結(jié)論

pSLC 是對(duì)經(jīng)典 SLC 存儲(chǔ)器技術(shù)的最佳補(bǔ)充，是理想的能夠使 3D NAND 技術(shù)達(dá)到 SLC 壽命的經(jīng)濟(jì)高效解決方案。唯一的“缺點(diǎn)”是不常見的驅(qū)動(dòng)器容量，如 10、20、40、80、160 GB。

為此，工業(yè)存儲(chǔ)器制造商 Swissbit 為幾乎所有 MLC 和 3D TLC NAND 產(chǎn)品提供了 pSLC 模式選項(xiàng)。真正的SLC產(chǎn)品將長期保留在公司的產(chǎn)品線上，因?yàn)檎嬲腟LC無與倫比的優(yōu)勢是它不需要每兩年更換一次，從而節(jié)省了重新認(rèn)證的成本。對(duì)于醫(yī)療技術(shù)、自動(dòng)化和運(yùn)輸?shù)染哂泻荛L產(chǎn)品生命周期和高標(biāo)準(zhǔn)化要求的市場，SLC 仍然沒有替代品。

圖1：不同 NAND 操作模式下的電荷分布

圖2：NAND 技術(shù)比較