【導讀】如今，在 NAND 閃存行業(yè)中，隨處可見(jiàn)存儲密度又達到新高的各種新聞。閃存早已實(shí)現了 100 層以上的技術(shù)，并且在短期內似乎并沒(méi)有遇到瓶頸的跡象。
偽SLC如何兼顧耐用性和經(jīng)濟性？
如今，在 NAND 閃存行業(yè)中，隨處可見(jiàn)存儲密度又達到新高的各種新聞。閃存早已實(shí)現了 100 層以上的技術(shù)，并且在短期內似乎并沒(méi)有遇到瓶頸的跡象。
目前的趨勢是隨著(zhù)層數穩步提高的同時(shí)在每個(gè)單元中存儲更多位元。目前的主流技術(shù)是TLC（三層單元，Triple Level Cell），每個(gè)單元存儲 3 位元，其中的“層”指的是比特數，而不是內部狀態(tài)。需要存儲和讀取的內部狀態(tài)的數量是存儲的位元數的 2 次方——3 位就意味著(zhù)需要識別 8 種不同的狀態(tài)。目前的趨勢是通過(guò) 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)現更大的存儲容量。QLC 具有 16 個(gè)狀態(tài)，因此實(shí)現起來(lái)并不輕松。
隨著(zhù)芯片每平方厘米所存儲的信息量的增加，可實(shí)現的寫(xiě)入周期數也會(huì )相應減少。SLC（單層單元，每單元 1 位）每個(gè)單元可以重寫(xiě) 60000 到 100000 次，而 MLC（多層單元，每單元 2 位）的寫(xiě)入次數減少到了只有 3000 次。在從平面 MLC 過(guò)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(guò)了原型階段，以后會(huì )成為超大規模數據中心應用的主流 NAND，例如 Google 和 Facebook 的應用方式，數據只寫(xiě)入一次，然后頻繁讀?。╓ORM = 一次寫(xiě)入，多次讀?。?。
嚴苛要求與高價(jià)格
與前述的應用相對，頻繁寫(xiě)入少量數據的應用仍然會(huì )存在，例如傳感器數據記錄、本地物聯(lián)網(wǎng)數據庫和狀態(tài)信息記錄等。與寫(xiě)入數兆字節的數據相比，寫(xiě)入幾個(gè)字節或數千字節的小數據包對 NAND 閃存的損耗更快。
對于這些應用而言，老技術(shù)的 SLC 是最好的存儲介質(zhì)。由于每個(gè)塊（Block）較小以及高達 100000 次的擦除周期數，使用 SLC 的存儲模塊通常會(huì )比設備本身的實(shí)際使用壽命更耐久。此外，SLC 溫度敏感性較低，對控制器的糾錯能力要求也較低，所有這些都對長(cháng)期穩定性有積極影響。
然而，替換掉嚴苛要求應用中的 SLC 的主要原因可以歸結為另一個(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，主流正在逐漸遠離 SLC，同時(shí)這正是不值得將 SLC 轉換成更現代技術(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 芯片達到了 512 Gbit 的容量，不久后還會(huì )達到 1 Tbit。也就是說(shuō)，TLC 技術(shù)的價(jià)格是 SLC 的 1/16。
讓我們從系統層面來(lái)看這種影響：TLC 控制器更復雜、更昂貴，使用 512 Gbit NAND 芯片的驅動(dòng)器最小容量為 32 GB。這對于數據中心或家庭用戶(hù)來(lái)說(shuō)沒(méi)有什么問(wèn)題。在使用TLC的情況下，某些尺寸的驅動(dòng)器容量往往會(huì )超過(guò) 1 TB。但是，對于工業(yè)領(lǐng)域的應用或作為網(wǎng)絡(luò )和通信系統的引導驅動(dòng)器而言，情況就有所不同。在這些情況下，盡管負荷更高，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(chēng)為 pSLC 或偽 SLC。
優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)
通過(guò)僅使用兩個(gè)內部狀態(tài)，可以以較低的電壓實(shí)現編程。這可以保護存儲晶體管中敏感的氧化硅并延長(cháng)其使用壽命。由于電子設備只需要區分兩種狀態(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，所存儲的值損毀所需的時(shí)間也更長(cháng)。
這兩種效應使得 pSLC 可實(shí)現的編程和擦除周期數從 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。
2D MLC NAND 也能在 pSLC 模式下運行。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(xiě)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，因為每個(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)現相同的存儲容量，成本將會(huì )是原來(lái)的三倍。盡管如此，這仍然比真正的 SLC NAND 便宜很多。
pSLC 所帶來(lái)的“新”存儲容量
芯片容量減少到原來(lái)的三分之一會(huì )使SSD的容量變得不那么常見(jiàn)。在二進(jìn)制的信息世界中，人們習慣于使用 2 的次方來(lái)計算容量，如64、128、256、512 GB 等。然而，隨著(zhù) 3D NAND 的問(wèn)世，閃存內部需要更多存儲容量以實(shí)現緩存或 RAID 或預留空間（用于加速寫(xiě)入和延長(cháng)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，其結果會(huì )是不常見(jiàn)的驅動(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。使用固定的系統環(huán)境映像的嵌入式或網(wǎng)絡(luò )和通信市場(chǎng)的小容量產(chǎn)品仍然使用二進(jìn)制容量數值。對于這些情況，用戶(hù)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。
結論
pSLC 是對經(jīng)典 SLC 存儲器技術(shù)的最佳補充，是理想的能夠使 3D NAND 技術(shù)達到 SLC 壽命的經(jīng)濟高效解決方案。唯一的“缺點(diǎn)”是不常見(jiàn)的驅動(dòng)器容量，如 10、20、40、80、160 GB。
為此，工業(yè)存儲器制造商 Swissbit 為幾乎所有 MLC 和 3D TLC NAND 產(chǎn)品提供了 pSLC 模式選項。真正的SLC產(chǎn)品將長(cháng)期保留在公司的產(chǎn)品線(xiàn)上，因為真正的SLC無(wú)與倫比的優(yōu)勢是它不需要每?jì)赡旮鼡Q一次，從而節省了重新認證的成本。對于醫療技術(shù)、自動(dòng)化和運輸等具有很長(cháng)產(chǎn)品生命周期和高標準化要求的市場(chǎng)，SLC 仍然沒(méi)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
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