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        大勢所趨QLC閃存是否值得重用

        2021-07-21 05:40:39
        電腦愛好者 2021年14期
        關(guān)鍵詞:柵極英特爾電荷

        NAND閃存分類

        我們都知道,目前NAND閃存可以分為SLC、MLC、TLC、QLC四種架構(gòu)的存儲(chǔ)顆粒,它們的性能與可靠性依次降低。其中,SLC閃存的每個(gè)Cell單元只能存放1bit數(shù)據(jù),也就是電壓只有0和1兩種變化,由于結(jié)構(gòu)簡單,使得SLC閃存擁有超過10萬次的可擦寫壽命(P/E次數(shù))和更好的性能。

        MLC、TLC和QLC閃存的每個(gè)Cell單元分別可以存放2bit、3bit和4bit數(shù)據(jù)。以QLC閃存為例,雖然它在相同單元數(shù)量下可以做出4倍于SLC的容量(電壓狀態(tài)),但由于它的電壓變化高達(dá)16種(2的4次方),管理起來愈發(fā)困難,導(dǎo)致其讀寫速度大幅下降,可擦寫壽命也驟降至不足1000次(圖1)。因此,作為QLC的接班人,每個(gè)Cell單元可以存放5bit數(shù)據(jù)的PLC閃存,哪怕它可以幫助SSD進(jìn)一步擴(kuò)容并降低成本,但其可靠性就更加令人難以放心了。

        那么,對(duì)SSD來說成本、容量與可靠性就真的難以兼顧嗎?通過英特爾2021年主打的670P SSD(QLC閃存顆粒),我們不難找出想要的答案。

        QLC如何逆天改命

        提起英特爾,很多朋友可能只知道這是一家專業(yè)的處理器制造商。實(shí)際上,英特爾在閃存技術(shù)的研發(fā)方面也有著超過30年的歷史,早在20世紀(jì)80年代中期就開始進(jìn)軍NOR閃存,并在2005年左右揮師應(yīng)用更廣泛的NAND閃存戰(zhàn)場,參與見證了從6 5 nm→1x nm工藝、2DNAND→3D NAND、SLC→QLC在內(nèi)的各種技術(shù)迭代(圖2)。

        3D NAND技術(shù)

        想要彌補(bǔ)SLC→QLC閃存架構(gòu)變遷過程中,在性能和可靠性方面的損失,最有效的方法就是提高單位面積的容量。于是,3D NAND堆疊技術(shù)便出現(xiàn)了。

        簡單來說,傳統(tǒng)的2D NAND只有平面上的2個(gè)維度,單位面積就那么大,想要提升容量只能指望制程工藝的升級(jí)。而3D NAND則可以像搭積木一樣,將無數(shù)個(gè)2D NAND一層層的堆起來(圖3),此時(shí)再結(jié)合更先進(jìn)的制程工藝,可以在單位面積堆起摩天大廈,從而實(shí)現(xiàn)更高的存儲(chǔ)密度以及更高的可靠性。

        英特爾在2016年便搞定了第一代3DNAND技術(shù),可以進(jìn)行32層的堆疊。2017年,英特爾發(fā)布了使用第二代3DNAND技術(shù),可進(jìn)行64層堆疊的QLC顆粒,存儲(chǔ)密度增加了133%,并于第二年(2018)實(shí)現(xiàn)QLCSSD的量產(chǎn)上市。隨后,2019年的96層第三代3DNANDQLC進(jìn)一步將存儲(chǔ)密度提升了50%,2021年最新發(fā)布的144層第四代3DNANDQLC再度提升了50%的存儲(chǔ)密度,較之第一代3DNAND翻了數(shù)倍(圖4)。

        就大家最關(guān)心的閃存可擦寫壽命,這個(gè)P/E次數(shù)也不是一成不變的,它會(huì)隨著算法、技術(shù)和NAND的優(yōu)化升級(jí)而不斷增加的。多年前東芝QLC試驗(yàn)中的P/E次數(shù)只有500次,但實(shí)際量產(chǎn)QLC的P/E次數(shù)卻可達(dá)1000次。同理,隨著垃圾回收、TRIM、壞塊管理、錯(cuò)誤糾正等技術(shù)和功能的引入,QLCSSD的可靠性也會(huì)不斷轉(zhuǎn)好。以英特爾670P為例,其512GB容量版本的耐用性已經(jīng)達(dá)到了185TBW,雖然依舊不如同容量高端TLCSSD的300TBW,但較之消費(fèi)者最早的預(yù)期已經(jīng)有了巨大的提升。

        垂直浮柵閃存結(jié)構(gòu)

        前文我們提到了,每個(gè)單元可保存4bit的QLC擁有16種電壓狀態(tài),未來的PLC更是擁有高達(dá)32種電壓狀態(tài),后者在如何保持?jǐn)?shù)據(jù)穩(wěn)定性、持久性面臨更大的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題,英特爾的方法是優(yōu)化閃存的底層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        簡單來說,英特爾的3D NAND閃存一直都在走浮動(dòng)?xùn)艠O(FG)結(jié)構(gòu)+陣列下CMOS設(shè)計(jì)(CuA)的路線。而其他友商的3D NAND閃存則多為替換柵極結(jié)構(gòu),或者說電荷擷取閃存結(jié)構(gòu)(CTF)路線。通過對(duì)比來看,英特爾浮動(dòng)?xùn)艠O的Cell單元是均衡的,擁有更緊密、對(duì)稱的堆棧層,沒有額外單元開銷,而友商的替換柵極則會(huì)浪費(fèi)一些空間,從而影響Cell單元的堆疊效率以及密度(圖5)。從英特爾給出的數(shù)據(jù)來看看,英特爾3 DNAND的面存儲(chǔ)密度可以高出最多10%,每塊晶圓可以切割出更多容量,成本也能得到更好控制。

        為了提升可靠性,英特爾3 DNAND閃存還采用了垂直浮動(dòng)?xùn)艠O單元技術(shù),它通過浮動(dòng)?xùn)艠O技術(shù)存儲(chǔ)電子路徑,不同的Cell單元之間都是分離的,可最大限度降低單元之間的干擾,更好地防御漏電(圖6)。與此同時(shí),英特爾還利用離散電荷存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn),具備良好的編程/擦除閾值電壓窗口,可以有效保障存儲(chǔ)單元之間穩(wěn)定的電荷隔離,以及完整的數(shù)據(jù)保留(圖7)。

        隨著SLC→QLC閃存單元從可存儲(chǔ)bit以及電壓狀態(tài)的增加,它們的“讀取窗口”也會(huì)越來越小,從而降低讀取準(zhǔn)確性,一不小心就會(huì)分不清到底是1還是0,最終會(huì)影響到可靠性上。英特爾3DNAND閃存主打的FG浮動(dòng)?xùn)艠O結(jié)構(gòu),較之CTF電荷擷取閃存結(jié)構(gòu),在長時(shí)間使用過程中的電荷損失程度更小,哪怕FG結(jié)構(gòu)在5年后的電荷保留程度都堪比CTF結(jié)構(gòu)在5年前的初始狀態(tài)(圖8)。

        未來PLC閃存的讀取窗口將更進(jìn)一步收窄,將對(duì)電荷損失的控制力度提出更高要求,而這恰好就是英特爾3D NAND技術(shù)所擅長的。

        理性看待QLC SSD

        回到英特爾最新推出的670P系列身上,這款QLC SSD定位于桌面、筆記本的日常計(jì)算、辦公、內(nèi)容創(chuàng)作、主流游戲場景,采用標(biāo)準(zhǔn)的M.2 2280接口形態(tài),PCIe 3.0×4通道并支持NVMe協(xié)議,容量可選512GB、1TB、2TB,單面設(shè)計(jì)的兼容性更好。其順序讀寫最高可達(dá)3.5GB/s、2.7GB/s,對(duì)比上代同樣采用QLC閃存的660PSSD分別提升了94%和50%,隨機(jī)讀寫有了大幅提升(圖9)。需要注意的是,無論是670P還是其他TLC和QLC SSD,它們的標(biāo)稱性能其實(shí)都來自SLC緩存的讀寫。

        英特爾670P系列SSD的SLC緩存包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。其中,其靜態(tài)SLC緩存恒定不變,動(dòng)態(tài)SLC緩存則會(huì)根據(jù)總?cè)萘?、可用容量而智能調(diào)整,相比上代增大了最多11%(圖10)。具體來說,512GB版的670P靜態(tài)緩存6GB+動(dòng)態(tài)緩存最多64GB=70GB;1TB、2TB則是最多12GB+128GB=140GB、24GB+256GB=280GB。

        換句話說,英特爾670P在SLC緩存容量以內(nèi)的讀寫速度表現(xiàn)并不遜于同價(jià)位的TLCS S D,但在緩?fù)鈱懭胨俣确矫鎰t會(huì)出現(xiàn)比TLC SSD更大的斷崖式下降,因此購買該系列或其他QLC SSD的用戶切忌將硬盤填滿,每個(gè)硬盤分區(qū)都要留出15%以上的剩余空間。在預(yù)算允許時(shí),最好一步到位,挑選1TB容量起步的型號(hào),從而獲得足夠的SLC緩存冗余。

        EVO是英特爾針對(duì)第11代酷睿(移動(dòng)版)制定的高端認(rèn)證平臺(tái),而670P SSD則是該平臺(tái)的推薦組件之一,這也從側(cè)面證明了其性能與可靠性,為QLC SSD正名(圖11)。

        實(shí)際上,從近10年閃存發(fā)展的歷程來看,SLC→MLC→TLC→QLC雖然它們?cè)诩夹g(shù)層面的(相對(duì))性能下降了,但是絕對(duì)性能卻是在不斷增長的—— 最新的Q LCSSD無疑可以秒殺最早的SLC SSD。時(shí)至今日,別說SLC了,采用MLC閃存的SSD也變得鳳毛麟角,哪怕是三星980 PRO這種旗艦級(jí)SSD,也開始倒戈TLC。隨著時(shí)間的推移,QLC取代TLC也是大概率事件。

        以英特爾670P為代表的QLC SSD之所以還沒被市場接受,是因?yàn)樗鼪]有達(dá)成消費(fèi)者的心理預(yù)期——理論上QLC較之TLC的成本更低,但同容量QLC S SD的價(jià)格卻沒能與TLC SSD拉開差距,在價(jià)格相近時(shí),大家為什么不選擇更可靠的TLC?

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