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QLC或成绝唱?还不一定吧

最近,有外媒提到了闪存技术发展的问题,并发出疑问,怀疑QLC将成为NAND发展的绝唱。从过去几年QLC相关产品的发展,以及应用层面来看,这一说法有待商榷。

从1990年代后期开始,基于NAND闪存的固态存储得到了广泛的引入。

固态存储不仅性能有非常大的优势,而且功耗低,占用空间小。从便携设备的存储卡,到桌面和笔记本电脑的硬盘,再到手机存储,再到数据中心的存储系统当中,固态硬盘越来越普遍。

但固态存储技术想要普及,离不开技术进步带来的成本降低。然而,现在NAND闪存技术的进步遇到了很多问题,这些都限制阻止了其在密度上的进一步扩展。

解决方法包括3D堆叠和增加单个单元中的电压级数,从而增加比特数。虽然这些方法提高了存储容量,但从SLC到MLC,从TLC再到QLC,这样的发展也带来了严重的代价,主要表现为写入周期有限和传输速度大幅下降。

NAND闪存的工作原理基于一种叫做“浮动栅极”的概念,这一概念最早在1960年代由浮动栅极MOSFET(FGMOS)引入。FGMOS允许在浮动栅极中存储电荷,在没有供电的情况下,也能存储电荷,这推动了非易失性存储技术的发展,EPROM、EEPROM和NAND断电都不丢数据。

现代EEPROM结合了电荷捕获技术(CTF),通过使用更耐用的氮化硅材料,使其支持约一百万次读/写周期,从而主要提高了其整体的耐用性,而与EEPROM不同,NAND闪存的发展更侧重速度和存储密度。

NOR闪存和NAND闪存之间的区别在于单元连接的方式,NOR闪存支持随机(字节级)访问和擦除,而NAND闪存由于布局原因,必须以页面(Page)方式写入和读取,擦除则是在块级别进行。

为了追求更高密度,厂商正在缩小构成NAND闪存芯片的晶体管等结构,这容易导致电子泄漏,降低数据保持能力,由于结构变薄还会导致磨损增加等问题。通过每单元存储更多比特来增加总存储容量的方法不仅加剧了这些问题,还引入了显著的复杂性。

QLC NAND闪存的复杂性导致了写入和读取速度急剧下降。为了应对这一问题,QLC(和TLC)SSD使用伪SLC(pSLC)缓存,将部分SSD的闪存分配为仅使用更快的SLC访问模式。然而,这一解决方案并从根本上解决QLC NAND的性能和寿命问题。

通过对Crucial BX500 SSD进行修改,对主控Silicon Motion SM2259XT2进行重新编程,将容量从500 GB减少到120 GB,但其P/E从QLC模式下的900个提高到pSLC模式下的60,000。

尽管这一改进提高了写入性能,但并未彻底解决NAND闪存的所有问题。下一阶段,随着PLC技术的引入,这些问题可能会更严重,那么,QLC是NAND闪存技术发展的最后一步?要成为绝唱了吗?

当然,这些都是底层技术层面上确实存在的问题,在实际部署中,人们可以通过多种方案规避其存在的问题。

从实践上来讲,QLC SSD可以通过提高单盘容量来减少全盘擦写次数,从而避免写入寿命不足的问题。而容量方面,除了可以靠刚才提到pSLC模式以外,还有别的组合型方案。

比如,Solidigm通过引入CSAL(云存储加速层)技术方案,用高性能,耐久性更强的SLC硬盘,配合大容量的QLC构建存储解决方案,提供容量和性能上的优势。

2024年,在生成式AI的推动下,用户对存储的性能和容量都有了更高要求,一些成熟地区的市场在追捧大容量的企业级SSD,QLC SSD也因此成了主要的关注点之一。

我们看到,2024年,大容量SSD正在得到重视。

Solidigm的61.44TB企业级SSD在市场上发布了近一年时间,而三星也发布了61.44TB的企业级SSD。另外,戴尔科技的PowerScale的全闪版本也表示将采用61TB的QLC SSD。

目前不清楚PLC SSD的最新进展,但大容量QLC SSD的局面目前是越来越好,对此,大家是怎么看的呢?

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