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<P> 如今,在NAND閃存行業(yè)中,隨處可見(jiàn)存儲(chǔ)密度又達(dá)到新高的各種新聞。閃存早已實(shí)現(xiàn)了100層以上的技術(shù),并且在短期內(nèi)似乎并沒(méi)有遇到瓶頸的跡象。</P> <P> 目前的趨勢(shì)是隨著層數(shù)穩(wěn)步提高的同時(shí)在每個(gè)單元中存儲(chǔ)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(chǔ)3位元,其中的“層”指的是比特?cái)?shù),而不是內(nèi)部狀態(tài)。需要存儲(chǔ)和讀取的內(nèi)部狀態(tài)的數(shù)量是存儲(chǔ)的位元數(shù)的2次方——3位就意味著需要識(shí)別8種不同的狀態(tài)。目前的趨勢(shì)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(xiàn)更大的存儲(chǔ)容量。QLC具有16個(gè)狀態(tài),因此實(shí)現(xiàn)起來(lái)并不輕松。</P> <P> 隨著芯片每平方厘米所存儲(chǔ)的信息量的增加,可實(shí)現(xiàn)的寫入周期數(shù)也會(huì)相應(yīng)減少。SLC(單層單元,每單元1位)每個(gè)單元可以重寫60000到100000次,而MLC(多層單元,每單元2位)的寫入次數(shù)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(guī)模數(shù)據(jù)中心應(yīng)用的主流NAND,例如Google和Facebook的應(yīng)用方式,數(shù)據(jù)只寫入一次,然后頻繁讀取(WORM=一次寫入,多次讀取)。</P> <P align=center><IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20211115114221400.jpg"></P> <P> 圖1:不同NAND操作模式下的電荷分布</P> <P> 嚴(yán)苛要求與高價(jià)格</P> <P> 與前述的應(yīng)用相對(duì),頻繁寫入少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍然會(huì)存在,例如傳感器數(shù)據(jù)記錄、本地物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)和狀態(tài)信息記錄等。與寫入數(shù)兆字節(jié)的數(shù)據(jù)相比,寫入幾個(gè)字節(jié)或數(shù)千字節(jié)的小數(shù)據(jù)包對(duì)NAND閃存的損耗更快。</P> <P> 對(duì)于這些應(yīng)用而言,老技術(shù)的SLC是最好的存儲(chǔ)介質(zhì)。由于每個(gè)塊(Block)較小以及高達(dá)100000次的擦除周期數(shù),使用SLC的存儲(chǔ)模塊通常會(huì)比設(shè)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(duì)控制器的糾錯(cuò)能力要求也較低,所有這些都對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性有積極影響。</P> <P> 然而,替換掉嚴(yán)苛要求應(yīng)用中的SLC的主要原因可以歸結(jié)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(yuǎn)離SLC,同時(shí)這正是不值得將SLC轉(zhuǎn)換成更現(xiàn)代技術(shù)的原因。</P> <P align=center><IMG border=0 src="/uploadfile/newspic/20211115114213765.jpg"></P> <P> 圖2:NAND技術(shù)比較</P> <P> 偽SLC是具有競(jìng)爭(zhēng)力的折衷</P> <P> 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(dá)到了512 Gbit的容量,不久后還會(huì)達(dá)到1 Tbit。也就是說(shuō),TLC技術(shù)的價(jià)格是SLC的1/16。</P> <P> 讓我們從系統(tǒng)層面來(lái)看這種影響:TLC控制器更復(fù)雜、更昂貴,使用512 Gbit NAND芯片的驅(qū)動(dòng)器最小容量為32 GB。這對(duì)于數(shù)據(jù)中心或家庭用戶來(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(qū)動(dòng)器容量往往會(huì)超過(guò)1 TB。但是,對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用或作為網(wǎng)絡(luò)和通信系統(tǒng)的引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)器而言,情況就有所不同。在這些情況下,盡管負(fù)荷更高,但通常幾GB容量就夠用了。</P> <P> 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(duì)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(nèi)部控制器只在兩種狀態(tài)下工作:已擦除和已編程,1和0。這種操作模式稱為pSLC或偽SLC。</P> <P> 優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)</P> <P> 通過(guò)僅使用兩個(gè)內(nèi)部狀態(tài),可以以較低的電壓實(shí)現(xiàn)編程。這可以保護(hù)存儲(chǔ)晶體管中敏感的氧化硅并延長(zhǎng)其使用壽命。由于電子設(shè)備只需要區(qū)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(chǔ)的值損毀所需的時(shí)間也更長(zhǎng)。</P> <P> 這兩種效應(yīng)使得pSLC可實(shí)現(xiàn)的編程和擦除周期數(shù)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(nèi)。</P> <P> 2D MLC NAND也能在pSLC模式下運(yùn)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。僅寫入一位也會(huì)有速度優(yōu)勢(shì)。在價(jià)格方面,顯然,每位的成本翻了一番,因?yàn)槊總(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(xiàn)相同的存儲(chǔ)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。</P> <P> pSLC所帶來(lái)的“新”存儲(chǔ)容量</P> <P> 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(xí)慣于使用2的次方來(lái)計(jì)算容量,如64、128、256、512 GB等。然而,隨著3D NAND的問(wèn)世,閃存內(nèi)部需要更多存儲(chǔ)容量以實(shí)現(xiàn)緩存或RAID或預(yù)留空間(用于加速寫入和延長(zhǎng)使用壽命)。所以最終的容量可能是30、60、120、240、480 GB等。</P> <P> 如果再考慮到pSLC減少三分之二容量,其結(jié)果會(huì)是不常見(jiàn)的驅(qū)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(tǒng)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(shù)值。對(duì)于這些情況,用戶可用容量會(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。</P> <P> 結(jié)論</P> <P> pSLC是對(duì)經(jīng)典SLC存儲(chǔ)器技術(shù)的最佳補(bǔ)充,是理想的能夠使3D NAND技術(shù)達(dá)到SLC壽命的經(jīng)濟(jì)高效解決方案。唯一的“缺點(diǎn)”是不常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)器容量,如10、20、40、80、160 GB。</P> <P> 為此,工業(yè)存儲(chǔ)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(xiàng)。真正的SLC產(chǎn)品將長(zhǎng)期保留在公司的產(chǎn)品線上,因?yàn)檎嬲腟LC無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)是它不需要每?jī)赡旮鼡Q一次,從而節(jié)省了重新認(rèn)證的成本。對(duì)于醫(yī)療技術(shù)、自動(dòng)化和運(yùn)輸?shù)染哂泻荛L(zhǎng)產(chǎn)品生命周期和高標(biāo)準(zhǔn)化要求的市場(chǎng),SLC仍然沒(méi)有替代品。</P>
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