【導讀】今天，TLC依然為SSD/嵌入式存儲中的主力NAND顆粒，但QLC開始登上舞臺，發(fā)起挑戰(zhàn)，和2016年那時的自己相比，QLC實力大增。NAND家族，從老大SLC開始，到老二MLC和老三TLC，再到今天的老四QLC NAND，發(fā)揮自身優(yōu)勢，克服自身不足，一代代傳承下來，扛起家族事業(yè)的重任。
2005年Apple iPod第一次使用了NAND介質來取代HDD作為存儲設備，彼時的NAND還是SLC介質，開啟了NAND作為電子產品主要存儲介質序幕的開端。
2006年，第一款某牌SLC SSD正式零售；不到兩年，由于MLC本身穩(wěn)定性足夠好，2008年就有了某牌MLC與SLC SSD并行發(fā)售；2012年，首款TLC SSD面世（彼時還是2D NAND），2015年TLC顆粒在爭議中成長，日漸成熟，成為SSD廠商眼中最佳解決方案的存儲顆粒，SSD NAND介質從MLC到TLC，用了5到7年；2016年，首批QLC SSD面世（3D NAND）；
2022年，PLC demo樣品在FMS峰會上首現(xiàn)，某大廠開始談論HLC NAND，包括使用了液氮冷卻操作條件，但這些都還只是在實驗室階段。
今天，TLC依然為SSD/嵌入式存儲中的主力NAND顆粒，但QLC開始登上舞臺，發(fā)起挑戰(zhàn)，和2016年那時的自己相比，QLC實力大增。NAND家族，從老大SLC開始，到老二MLC和老三TLC，再到今天的老四QLC NAND，發(fā)揮自身優(yōu)勢，克服自身不足，一代代傳承下來，扛起家族事業(yè)的重任。
NAND發(fā)展史及擴容方法
自1987年NAND被發(fā)明以來，無論是2D還是3D時代，推動NAND技術發(fā)展的核心推動力是提升性能、提高壽命、提升可靠性、增加存儲密度及降低每GB成本。而實現(xiàn)增加存儲密度及降低每GB成本，靠的是NAND的擴容，主要的手段如下圖：
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Logical Scaling：邏輯擴展是用NAND比特位擴展來提升存儲密度的方法，如SLC->PLC。
Vertical Scaling：意思是在Z方向上增加3D NAND層數(shù)。Vertical Scaling是3D NAND當前增加存儲密度最重要的方法，但層數(shù)越高，設計和生產的挑戰(zhàn)也越大。
Lateral Scaling：3D NAND在2D平面空間XY如何微縮以達到增加存儲密度的方法。
Architecture Scaling：CMOS和Array如何進行架構設計，如CUA、CBA等架構。
本文我們主要看看邏輯擴展方法，NAND Cell單元從可以存儲1個比特到2個、3個、4個比特，相當于容量從1X提升到2X、3X、4X，是一種不需要改變NAND Die的物理設計而達到容量倍增的好方法。當前，4X存儲容量的QLD NAND已商用量產多年，基本成熟和穩(wěn)定。
NAND容量大幅增長，不僅可以給用戶帶來購買每GB成本的快速下降，而且也為大容量應用例如SSD提供了一個絕佳方法。因此，SSD容量從2007年32GB的小可愛，到如今消費級SSD可以提供高達8T容量，企業(yè)級甚至可以提供高達256TB容量的巨獸。
當然，從SLC到QLC的轉變，NAND犧牲了性能、壽命及某些條件下可靠性等NAND指標，發(fā)現(xiàn)問題解決問題，隨著NAND設計和制造工藝的提升，配合系統(tǒng)層面控制器和固件糾錯能力、算法的提升，基本上已經(jīng)讓QLC NAND變得可用和好用。
NAND家的幾兄弟
從量產和出生時間來看，NAND家有四兄弟，老大SLC老二MLC老三TLC和老四QLC，各個兄弟在不同時間出生，脾性不同（如下圖），在不同時期輪番上陣，為家族事業(yè)奮斗拼搏，發(fā)揮各自能力，扛起了家族重任。
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SLC NAND（高性能、高壽命、容量低、價格最貴）
作為家中長子，老大SLC NAND的每個單元存儲一位比特，0或1，寫入和讀取數(shù)據(jù)都很快，性能最佳，提供高達10萬個P/E周期，壽命最高，但密度最低，老大SLC閃存每GB價格最貴。作為家中長子，老大SLC曾經(jīng)是家族中唯一之選。如今性能和壽命最強的SLC在對寫和耐久度要求很高的行業(yè)得以應用。目前老大已交棒，原生SLC NAND在原廠中產能分配極低，但各家原廠開放TLC和QLC顆粒接口，讓用戶可以將其配置成pSLC模式使用，享受SLC顆粒類似的性能和壽命。
MLC NAND（較高性能、較高壽命、容量低、較高價格）
老二MLC NAND每個單元存儲二位比特，數(shù)據(jù)密度是SLC的2倍，提供高達10000 P/E周期，壽命是SLC的1/10。憑借較高性能和較高壽命，老二MLC在服務器、工規(guī)級應用較多。
TLC NAND（性能、壽命、容量和價格，最優(yōu)平衡的顆粒）
老三TLC NAND每個單元存儲3個比特，P/E周期降至MLC的1/3。老三TLC較老二MLC在數(shù)據(jù)密度上提升了50%，因此價格變得比MLC要便宜。憑借“足夠用”的壽命和性能，目前在消費級SSD、eMMC、UFS等產品中，采用TLC是最優(yōu)平衡的存儲方案，性能、壽命、價格、容量等多個方面達到了較好的平衡。
QLC NAND（性能、壽命、容量和價格，極致性價比的顆粒）
老四QLC NAND每個單元存儲4個比特，性能和耐久性比TLC要低。在QLC推出初期壽命為弱項，但隨著技術的提升目前壽命已經(jīng)接近主流TLC的水平。老四QLC較老三TLC在數(shù)據(jù)密度上提升了33%，因此價格更便宜。老四QLC自2015年出生，曾被消費者詬病問題有性能低、壽命低和可靠性較差，比較有爭議。到目前NAND閃存行業(yè)已迭代三到四代QLC NAND顆粒，壽命、性能和可靠性三個維度都做了全面的提升，老四在長大，問題孩子變得優(yōu)秀，在各項考試中取得接近TLC的成績，比如SSD跑分，憑借極致性價比優(yōu)勢開始登上舞臺。
老四挑大梁
比起前三位大哥，老四QLC單元空間內的存儲容量最高，價格最低。性能和壽命的不足卻可以通過相應系統(tǒng)方案（比如SLC cache write）來彌補，未來有取代TLC成為消費類產品的首選存儲顆粒。
技術上，以致態(tài)Ti600 SSD為例，我們看下老四QLC的潛力：
性能，消費級QLC SSD會啟用SLC cache來Burst用戶的讀寫性能，基本可以做到PCIe 3.0和PCIe 4.0前端最高性能，基本同TLC SSD讀寫性能。
壽命，消費級QLC NAND按1T容量SSD生命周期內總寫入數(shù)據(jù)量TBW在400TB左右，完全滿足PC OEM和零售渠道類市場對SSD TBW的要求。
在性能、壽命和可靠性完全“夠用”的情況下，當年老三TLC取代老大SLC和老二MLC走過的路，未來幾年老四QLC會重演，老四QLC憑借自身實力和不斷進步的系統(tǒng)解決方案的配合，將扛起NAND家族的重任。
本文轉載自：長江存儲系統(tǒng)解決方案
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