存储知识:固态硬盘 SSD 的相关术语:SLC、MLC、TLC、QLC 及 3D NAND

存储知识:固态硬盘 SSD 的相关术语:SLC、MLC、TLC、QLC 及 3D NAND

2023-10-31 15:00:24
NAND Flash 发展史
硬盘作为电脑存储的主要设备,分为机械硬盘和固态硬盘两大类。目前,固态硬盘SSD由于工艺的提升和价格的降低,因为其高性能,已经逐步成为用户硬盘的首选方案。
用户在了解 SSD 相关技术的时候,经常遇到 SLC MLC TLC QLC 等术语。
要介绍这些术语,需要先了解SSD存储的原理。与机械硬盘的原理不同,固态硬盘采用闪存(NAND Flash)芯片存储数据,这种闪存芯片也是优盘和手机存储所使用的数据存储设备。
SSD闪存的基本存储单位是浮栅晶体管(Floating Gate Metal-Oxide-Semiconductor,简称 FGMOS),通过对晶体管进行充电和放电操作来进行数据擦除及写入,每个晶体管能充放电的次数是有限的,因此使用P/E值作为SSD寿命的重要衡量指标,P/E的全称是 Program/Erase(写入/擦除),一般称为“擦写次数”。
当然,基于计算机的基本原理,SSD中存储的数据都是0和1形式的二进制数据,在SSD中进行存储的基本单位是单元(Cell)。
最早SSD的一个Cell单元只能存储1 bit信息,也就是只有0、1两种电压变化,可用来存储一位的二进制数据。这种方式结构简单,电压控制也快速,特点是寿命长,性能强,P/E 擦写次数在9万到10万次之间,但缺点是容量低、成本高,毕竟一个Cell单元只能存储1bit信息。这种方式被称为 Single-Level Cell(单层单元),简写为SLC。
存储设备是容量为王的领域,容量大小是用户选购的首选,为了提高SSD的容量,技术人员改进SLC技术,变为一个Cell单元可以存储2 bit信息。这需要有更复杂的电压控制,有00,01,10,11四种变化。这种技术提高了存储容量、降低了生产成本,但造成的弊端是写入性能、可靠性降低,P/E 擦写次数根据制程不同降为8000-10000次不等。这种技术被称为 Multi-Level Cell(多层单元,简称MLC)。
依此类推,人们又发明了 每单元存储3 bit 的 Trinary-Level Cell(三层单元,简称TLC)技术,生产成本更低,价格更便宜,但性能更差、寿命更短,P/E擦写次数约500-1000次。 每单元存储4 bit 的 Quad-Level Cell(四层单元,简称 QLC),电压有16种变化,当然生产成本更低,容量可达到10~100TB数量级,在人们关心的寿命方面,前期预测 QLC 的 P/E 擦写次数仅有 100-150 次,担心QLC不耐用。但后来业界厂商表示 3D QLC 闪存能经受1000次擦写,比预测寿命多了十倍。
以上介绍的 NAND 闪存一直基于二维平面的 NAND 技术,也称为 2D NAND 闪存,在二维平面上对晶体管进行微缩,提高存储密度,以获得更大容量,但这种技术已接近达到极限。
NAND Flash 进入 232 层时代
为了在维持性能的同时实现容量提升,科研人员研制了新的 3D NAND 技术,目前已经成为闪存的主流技术。
在3D NAND中,每单元仍然可以存储多个bit,可分为 SLC MLC TLC QLC 几种类型,也称为 3D-SLC 3D-MLC 等。
在美光推出 232 层 NAND 之后,三星电子、西数、铠侠等原厂也在积极推进闪存层数迭代。大数据、云计算等技术发展,持续提升NAND Flash需求,同时也不断推动着NAND技术的升级和迭代。

点击输入图片描述(最多30字) 问题:3D NAND 普及化的时代,数据安全如何保障?
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