QLC登場:性能低還不耐用?但取代HDD必定是它
2018/06/05 來源：太平洋電腦網
基於NAND快閃記憶體的SSD硬碟如今越來越被人接受
，成為裝機必選配件之一，HDD機械盤越來越不受寵，
如果不是過去兩年存儲晶片經歷了一次長達兩年的漲價
，2018年市場上應該可以普及480-512GB的SSD了，
人們對SSD容量的需求也越來越大，繼TLC統治SSD市
場之後，QLC快閃記憶體也閃亮登場了。
圖一
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去年7月份東芝公司就率先宣布了QLC快閃記憶體，核心容
量768Gb，創造了NAND容量新紀錄，今年5月底美光、英
特爾也宣布了自家的QLC快閃記憶體，並且推出了新的
5210 ION系列硬碟，正式商業化QLC快閃記憶體技術，可
它的到來卻讓很多人充滿懷疑，不少讀者都在質疑QLC快閃
記憶體的性能及可靠性，甚至認為這是一種倒退，那麼實情
到底如何呢？
在了解QLC快閃記憶體之前，我們首先簡單介紹下NAND快
閃記憶體中不同類型到底都有哪些區別及優缺點吧。
NAND快閃記憶體基本原理：QLC容量大，但性能也變差了
NAND快閃記憶體是靠存儲單元能多少位信息然後施加不同
電壓才實現信息存儲的，很多人都知道NAND快閃記憶體有
SLC、MLC及TLC之分，現在又多了QLC快閃記憶體，那麼
它們之間到底有多少區別呢？
圖二
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SLC：全稱Single-Level Cell，每個Cell單元存儲1bit
信息，也就是只有0、1兩種電壓變化，結構簡單，電壓
控制也快速，反映出來的特點就是壽命長，性能強，P/E
壽命在1萬到10萬次之間，但缺點就是容量低，成本高，
畢竟一個Cell單元只能存儲1bit信息。
MLC：全稱是Multi-Level Cell，它實際上是跟SLC對應
的，SLC之外的NAND快閃記憶體都是MLC類型，而我們
常說的MLC是指2bit MLC，每個cell單元存儲2bit信息，
電壓有000,01,10,11四種變化，所以它比SLC需要更複
雜的的電壓控制，加壓過程用時也變長，意味著寫入性能
降低了，同時可靠性也下降了，P/E壽命根據不同製程在
3000-5000次不等，有的還更低。
TLC：也就是Trinary-Level Cell了，準確來說是3bit MLC
，每個cell單元存儲3bit信息，電壓從000到111有8種變化
，容量比MLC再次增加1/3，成本更低，但是架構更複雜，
P/E編程時間長，寫入速度慢，P/E壽命也降至1000-3000次
，部分情況會更低。
現在上市的QLC則是Quad-Level Cell，或者叫4bit MLC，
電壓從0000到1111有16種變化，容量增加了33%，但是
寫入性能、P/E壽命會再次減少。
怎麼理解這些技術變化？我們可以舉個簡單的例子，把NAND
快閃記憶體當成大學的宿舍，SLC快閃記憶體相當於博士宿舍
，往往是單人間，所以成本高，但是博士能做的工作也更好，
而MLC快閃記憶體就是碩士宿舍，兩個人一間，成本是降低
了不少，不過碩士做研究自然是不如博士的。
TLC則是3人間的大學宿舍，QLC則是4人間的宿舍，可能還
是非熱門專業的學渣聚集在一起，戰鬥力比起前面的三種要
差很多，不過好歹也是大學生。
圖三
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QLC快閃記憶體與TLC快閃記憶體性能對比，寫入性能進一步下降
具體到性能上，美光做過詳細解讀，首先讀取速度沒比TLC
快閃記憶體差多少，SATA接口中兩者都可以達到540MB/s
速度，QLC快閃記憶體主要差在寫入速度上，因為它天生的
P/E編程時間就比MLC、TLC更長，速度更慢，連續寫入速度
從520MB/s降至360MB/s，隨機性能更是從9500 IOPS降至
5000 IOPS，損失將近一半，同時MTTF無故障間隔時間也從
300萬小時降至200萬小時，性能、可靠性下降是沒跑了。
3D堆棧技術加持，QLC快閃記憶體遇到了好時候
正如TLC快閃記憶體剛問世時遭遇的考驗一樣，性能、可靠性
下降是QLC快閃記憶體必然的缺點，我們應該對QLC快閃記憶
體感到擔憂嗎，或者說排斥QLC快閃記憶體？直覺上應該是這
樣，但是我們也要了解一點——如今的NAND快閃記憶體早進
入3D NAND時代了，跟2D NAND時代不一樣了，而3D NAND
時代的QLC快閃記憶體也不同於2D NAND時代的QLC快閃記憶
體，這是雙方技術路線決定的。
在2D NAND快閃記憶體時代，廠商為了追求NAND容量提升，
需要不斷提升NAND製程工藝，所以NAND前幾年從50nm不
斷進入30nm、20nm以及10nm時代，這好比處理器工藝不斷
升級一樣，好處是提高了電晶體密度，提升了NAND容量，降
低了成本，但是NAND工藝提升意味著也使得用於阻擋電子的
二氧化矽層越來越薄，導致可靠性變差，而MLC、TLC、QLC
快閃記憶體穿越二氧化矽層的頻率逐級升高，也會導致氧化層
變薄，這就是P/E壽命不斷降低的原因。
但在3D NAND時代，提升NAND容量靠的不是微縮製程工藝了
，而是靠堆棧的層數，所以工藝變得不重要了，NAND廠商甚
至可以使用之前的工藝，比如三星最初的3D NAND快閃記憶
體使用的還是40nm工藝，可靠性要比20nm、10nm級工藝高
得多。
圖四
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也正因為此，QLC快閃記憶體獲得了TLC不一樣的
待遇，TLC快閃記憶體剛問世時還是2D NAND快閃
記憶體時代，所以遭遇了諸多壽命、性能上的考驗，
最初發布的TLC快閃記憶體P/E壽命只有100-150次
，完全不能看，但美光、英特爾推出的QLC快閃記憶
體直接使用3D NAND技術，P/E壽命達到了1000次
，完全不輸現在的3D TLC快閃記憶體。
大家可能沒注意到，這次首發的5210 ION硬碟是給企
業級市場使用的，而非消費級市場，前者對可靠性的要
求比消費級市場更高，英特爾、美光這麼做說明對QLC
快閃記憶體的壽命、可靠性有信心。
此外，P/E壽命也不是不變的，隨著NAND技術的進步、
糾錯技術的改良，P/E壽命是會提升的，TLC快閃記憶
體就從之前的不足500次逐漸提升到了1000次或者更高
水平，可靠性已經經過驗證了，QLC同樣也會如此。
存儲需求已經變了，超大容量SSD時代即將到來
圖五
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QLC快閃記憶體的問世有NAND廠商不斷降低成本的需要
，但這個問題從根本上來說是現在市場的需求正在改變，
我們通常認為的存儲需求是內存、SSD及HDD而已，性能
逐級降低，容量逐級升高，但是現在內存與SSD之間又多
了一個SCM（系統級存儲），英特爾前幾天發布的
NVDIMM內存就是這種，它的性能比DDR4低，但高於SSD
硬碟，同時斷電也不損失數據。
SSD與HDD之間也會多出一個層級，那就是超大容量SSD
，TB級都是起步水平，未來容量達到10TB也是小菜一碟
，不過這個超大容量SSD的性能是比不過現有MLC、TLC
快閃記憶體硬碟的，它的目標是HDD硬碟。
沒錯，QLC快閃記憶體一旦大規模量產，用它做的SSD硬
碟寫入速度可能也就是200-300MB/s左右，但是5000+
的隨機寫入性能依然遠高於HDD硬碟，同時容量可達
10-100TB級別。
圖六
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東芝此前在發布QLC快閃記憶體時就給我們描
繪了這樣一個未來，100TB容量的QLC快閃記
憶體SSD性能跟12台8TB HDD硬碟組成的陣列
差不多，都是3000MB/s，但是50K IOPS隨機
性能遠勝於HDD陣列，同時0.1W的待機功耗也
遠低於HDD陣列的96W，這也是英特爾、美光首
先在企業級市場發布QLC快閃記憶體的原因，在
這部分需求上QLC硬碟硬碟是完勝HDD硬碟。
美光之前預測2021年時SSD平均容量可達597GB
，聽上去並不高，但是他們還預測到時候每個PC
用戶平均會用4個SSD硬碟，這不是說我們買4個
容量600GB的SSD，更可能是這樣一種組合——
480/512GB的MLC或者QLC硬碟做主盤，安裝系
統及常用軟體，同時會有2TB甚至4TB的QLC快閃
記憶體SSD硬碟做倉庫盤，保存電影或者遊戲，這
種場合下讀取速度居多，寫入速度非常少，可以完
美發揮QLC硬碟的優點而避開寫入性能不強的缺點。
總結：
圖七
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QLC快閃記憶體的時代已經來了，除了美光、
英特爾首發QLC硬碟之外，東芝、西數的QLC
快閃記憶體也開始少量出貨了，三星、SK
Hynix的QLC快閃記憶體也在路上，只是沒有
高調公開而已。
大家對QLC快閃記憶體的擔心很正常，畢竟原理
上來說QLC快閃記憶體就要比MLC甚至TLC要差
一些，但是3D NAND時代的QLC快閃記憶體在
可靠性上跟2D NAND時代的TLC、QLC完全不
同，P/E壽命不是問題，不會比TLC快閃記憶體
差到哪裡去。
圖八
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QLC快閃記憶體最大的誘惑就是未來容量更大，桌
面市場上普及10TB容量就要靠它了，企業級市場甚
至會做到100TB容量，完全不輸HDD硬碟，同時
QLC硬碟的連續性能、隨機性能更完勝HDD硬碟，
功耗、噪音等方面同樣沒有可比性，是真正可能取
代HDD硬碟的選擇。