Swissbit談偽SLC 如何兼顧耐用性和經濟性？

　　如今，在NAND閃存行業中，隨處可見存儲密度又達到新高的各種新聞。閃存早已實現了100層以上的技術，并且在短期內似乎并沒有遇到瓶頸的跡象。

　　目前的趨勢是隨著層數穩步提高的同時在每個單元中存儲更多位元。目前的主流技術是TLC（三層單元，Triple Level Cell），每個單元存儲3位元，其中的“層”指的是比特數，而不是內部狀態。需要存儲和讀取的內部狀態的數量是存儲的位元數的2次方——3位就意味著需要識別8種不同的狀態。目前的趨勢是通過QLC技術（四層單元，每單元4位元）在相同尺寸的芯片中實現更大的存儲容量。QLC具有16個狀態，因此實現起來并不輕松。

　　隨著芯片每平方厘米所存儲的信息量的增加，可實現的寫入周期數也會相應減少。SLC（單層單元，每單元1位）每個單元可以重寫60000到100000次，而MLC（多層單元，每單元2位）的寫入次數減少到了只有3000次。在從平面MLC過渡到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次循環壽命。QLC會減少到1000左右，而下一個階段的PLC（五層單元，每個單元5位=32個狀態）會減少到小于100。PLC已經通過了原型階段，以后會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，數據只寫入一次，然后頻繁讀取（WORM=一次寫入，多次讀取）。

　　圖1：不同NAND操作模式下的電荷分布

　　嚴苛要求與高價格

　　與前述的應用相對，頻繁寫入少量數據的應用仍然會存在，例如傳感器數據記錄、本地物聯網數據庫和狀態信息記錄等。與寫入數兆字節的數據相比，寫入幾個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，老技術的SLC是最好的存儲介質。由于每個塊（Block）較小以及高達100000次的擦除周期數，使用SLC的存儲模塊通常會比設備本身的實際使用壽命更耐久。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重要的考慮因素：價格。SLC技術正面臨“先有雞還是先有蛋”的困境：由于技術較老、成本更高，主流正在逐漸遠離SLC，同時這正是不值得將SLC轉換成更現代技術的原因。

　　圖2：NAND技術比較

　　偽SLC是具有競爭力的折衷

　　如今，采用SLC技術的單個芯片最大容量為32 Gbit，典型芯片面積為100 mm²。另一方面，普通的價格相似的3D NAND TLC芯片達到了512 Gbit的容量，不久后還會達到1 Tbit。也就是說，TLC技術的價格是SLC的1/16。

　　讓我們從系統層面來看這種影響：TLC控制器更復雜、更昂貴，使用512 Gbit NAND芯片的驅動器最小容量為32 GB。這對于數據中心或家庭用戶來說沒有什么問題。在使用TLC的情況下，某些尺寸的驅動器容量往往會超過1 TB。但是，對于工業領域的應用或作為網絡和通信系統的引導驅動器而言，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的采用最新3D NAND技術且具有成本效益的SLC芯片。SLC的定義是單層單元（即每單元一位），事實證明這對于所有最新的NAND閃存產品也是確實可行的。但是，必須讓內部控制器只在兩種狀態下工作：已擦除和已編程，1和0。這種操作模式稱為pSLC或偽SLC。

　　優點大于缺點

　　通過僅使用兩個內部狀態，可以以較低的電壓實現編程。這可以保護存儲晶體管中敏感的氧化硅并延長其使用壽命。由于電子設備只需要區分兩種狀態，因此相比存在32種狀態的情況而言信噪比會高很多。與TLC和QLC相比，所存儲的值損毀所需的時間也更長。

　　這兩種效應使得pSLC可實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進入了“真正”SLC技術的范圍內。

　　2D MLC NAND也能在pSLC模式下運行。在這種情況下，每個單元只使用兩個位元中的一個，因此容量減半。僅寫入一位也會有速度優勢。在價格方面，顯然，每位的成本翻了一番，因為每個芯片只有一半的容量可用。使用TLC技術僅僅使用每個單元的三位中的一位。因此，要實現相同的存儲容量，成本將會是原來的三倍。盡管如此，這仍然比真正的SLC NAND便宜很多。

　　pSLC所帶來的“新”存儲容量

　　芯片容量減少到原來的三分之一會使SSD的容量變得不那么常見。在二進制的信息世界中，人們習慣于使用2的次方來計算容量，如64、128、256、512 GB等。然而，隨著3D NAND的問世，閃存內部需要更多存儲容量以實現緩存或RAID或預留空間（用于加速寫入和延長使用壽命）。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，其結果會是不常見的驅動器容量：480 GB TLC SSD會變成160 GB pSLC SSD，但是與480 GB TLC SSD一樣價格。使用固定的系統環境映像的嵌入式或網絡和通信市場的小容量產品仍然使用二進制容量數值。對于這些情況，用戶可用容量會縮小到最接近的的二進制容量，其優點是使用壽命會再次不成比例地放大。但是，每GB可用容量的價格也略有提高。

　　結論

　　pSLC是對經典SLC存儲器技術的最佳補充，是理想的能夠使3D NAND技術達到SLC壽命的經濟高效解決方案。唯一的“缺點”是不常見的驅動器容量，如10、20、40、80、160 GB。

　　為此，工業存儲器制造商Swissbit為幾乎所有MLC和3D TLC NAND產品提供了pSLC模式選項。真正的SLC產品將長期保留在公司的產品線上，因為真正的SLC無與倫比的優勢是它不需要每兩年更換一次，從而節省了重新認證的成本。對于醫療技術、自動化和運輸等具有很長產品生命周期和高標準化要求的市場，SLC仍然沒有替代品。