固態硬盤MLC、TLC和QLC顆粒

印寧華|Indining China|

2023-08-08 09:08:17 915

在U盤、SSD等固態存儲產品中，閃存芯片顆粒是核心，其關乎產品成本、壽命以及速度。閃存芯片顆粒主要有三種類型，分別為SLC、MLC、TLC，三者之間的區別，如下：SLC、MLC、TLC閃存芯片顆粒區別介紹

1、SLC = Single-Level Cell ，即1bit/cell，速度快壽命長，價格貴（約MLC 3倍以上的價格），約10萬次擦寫壽命；

2、MLC = Multi-Level Cell，即2bit/cell，速度一般壽命一般，價格一般，約3000---10000次擦寫壽命。

3、TLC = Trinary-Level Cell，即3bit/cell，也有Flash廠家叫8LC，速度慢壽命短，價格*，約500-1000次擦寫壽命。

4、QLC = Quad-Level Cell，即4bit/cell, 四層式存儲單元，QLC閃存芯片顆粒有著比TLC更高存取時間，與此同時價格上對比TLC變低，優點就是能將容積做出來的更高，價格上變低，缺點便是P/E使用壽命較短，最初基礎理論可讀寫頻次僅150次，但隨著技術和工藝的進步現在已提升了近十倍。

固態硬盤簡介：固態硬盤(Solid State Drives)，簡稱固盤，固態硬盤(Solid State Drive)用固態電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，由控制單元和存儲單元(FLASH芯片、DRAM芯片)組成。固態硬盤在接口的規范和定義、功能及使用方法上與普通硬盤的完全相同，在產品外形和尺寸上也完全與普通硬盤一致。被廣泛應用于軍事、車載、工控、視頻監控、網絡監控、網絡終端、電力、醫療、航空、導航設備等領域。

其芯片的工作溫度范圍很寬，商規產品(0~70℃)工規產品(-40~85℃)。雖然成本較高，但也正在逐漸普及到DIY市場。由于固態硬盤技術與傳統硬盤技術不同，所以產生了不少新興的存儲器廠商。廠商只需購買NAND存儲器，再配合適當的控制芯片，就可以制造固態硬盤了。新一代的固態硬盤普遍采用SATA-2接口、SATA-3接口、SAS接口、MSATA接口、PCI-E接口、NGFF接口、CFast接口和SFF-8639接口。

隨著互聯網的飛速發展，人們對數據信息的存儲需求也在不斷提升，現在多家存儲廠商推出了自己的便攜式固態硬盤，更有支持Type-C接口的移動固態硬盤和支持指紋識別的固態硬盤推出。

MLC和TLC的區別是成本不同，閃存粒子最早只是SLC技術粒子，為了降低成本，制造商開發了MLC顆粒，為了進一步降低成本，制造商開發了TLC顆粒，因此TLC的成本低于MLC，性能也是不同的，閃存顆粒本質上是一塊指甲大小的硅板，通過極紫外光將其雕刻成數十億納米級存儲單元，新一代TLC顆粒在性能上優于MLC。

TLC和MLC是兩種不同的硬盤粒，在正常條件下，MLC的使用壽命比TLC長，MLC在讀寫速度上比TLC硬盤快，而且TLC硬盤在長時間使用后會失去速度，但在正常家用中它們之間的差異并沒有那么大，MLC在各方面都優于TLC硬盤，但同等容量的MLC硬盤在價格上要高于TLC硬盤，在選擇固態硬盤時需要考慮用戶的具體用途和預期預算，對于大多數用戶來說TLC固態硬盤不僅價格*，而且足夠日常使用。

關于QLC
在這個互聯網時代，游戲、電影、照片等數據越來越大，硬盤容量將會面臨著前所未有的挑戰。雖然傳統的機械硬盤可以解決容量問題，但是速度太慢，體驗糟糕，并不是最優的個人存儲解決方案。

我們渴求大容量的SSD，不過超過TB大容量SSD動不動就幾千元的售價，對于支付能力有限用戶實際上沒有意義。SSD的成本主要來源于閃存，在TLC閃存能夠實現TB容量可惜價格未能降下來。只有不斷開發新類型的閃存，解決容量與價格的矛盾，才能讓SSD真正在大數據時代發揮應有作用。

這時，QLC 閃存就應運而生，目前，東芝和西數先后宣布成功開發基于四比特單元3D NAND閃存芯片，即QLC閃存，這也意味著QLC SSD將要來臨。那么，它與TLC閃存又有什么區別，能否取代TLC成為SSD主流閃存之選?

什么是TLC 以及QLC閃存?

TLC = Trinary-Level Cell，即3bit/cell(每個Cell單元儲存3個數據，有8個狀態，具體如上圖，有八種不同電壓狀態)。主要特點：成本低，容量大，但速度慢，壽命短，約500-1000次擦寫壽命。但隨著技術的成熟，壽命問題已經得到改善(約1500-2000次擦寫壽命)，并成為目前閃存顆粒中的最主流產品。

QLC=Quad-Level Cell，即4bit/cell(每個Cell單元儲存4個數據，有16個狀態，具體如上圖，有十六種不同電壓狀態)。相比于TLC來說，成本比更低，容量更大，而可靠、穩定性及壽命則更差些(此前幾年預計的理論可擦寫100-150次)，不過目前東芝宣稱，他們的QLC NAND擁有多達1000次左右的P/E編程擦寫循環，幾乎已經和TLC閃存旗鼓相當。

注：每Cell單元存儲數據越多，單位面積容量就越高，但同時導致不同電壓狀態越多，越難控制，導致顆粒穩定性越差，壽命低，利弊都有。

不得不承認，TLC閃存的出現大大提升了SSD的容量，并在一定程度上降低了SSD的價格。不過，依舊沒解決SSD價格的難題，大容量SSD仍舊貴。小容量SSD+大容量HDD的存儲方案，終究沒有單純大容量SSD來得好。

當QLC 閃存的誕生，也許既廉價又擁有超大容量的SSD，從理想變為現實。

QLC與TLC之間的區別：

1、壽命
前段時間，東芝稱其QLC NAND擁有多達1000次左右的P/E編程擦寫循環，打破100-150次魔咒，可以與TLC閃存顆粒壽命想媲美。如果真的達到這個標準，那么QLC SSD就能夠“理直氣壯”進入市場了。

1000次壽命,對于普通人來說,也沒有那么可怕。一般人平均每天的寫入量很少能超過10GB，那么我們就假設是10GB，120GB QLC SSD，寫入壽命達到120 TB。假設寫入放大系數則假定為3，甚至5，那么三年之內，很難寫壞它。且QLC閃存擁有高容量，也意味著其在QLC驅動器中可通過超額配置以延長產品本身的有效壽命。

目前TLC SSD在質保期普遍達到3年，有的質保期甚至達到5年。那么QLC 壽命問題又有什么好擔心?

2、穩定性 QLC閃存是存儲4位電荷，有16種狀態，而TLC存儲3位電荷，有8種狀態。這意味著QLC閃存單位存儲密度更大，是TLC的2倍，單顆芯片可達到256GB甚至512GB。但是，也因如此，QLC閃存的電壓更難控制，干擾更復雜，而這些問題都會影響QLC閃存的性能、可靠性及穩定性。不過TLC的這個活生生的案例在前面，解決起來會更容易一些。

3、成本雖然QLC只是在TLC的電子單元內增加了一個比特位，但其所要求的技術含量卻非常高。因為不僅要在原有的基礎上增加一個比特單位，還需要雙倍的精度才能保有足夠高的穩定性以及性能。不過，一旦解決了所有技術上的難題，隨著SSD容量的大幅增加，其所需要的單位成本也會相應降低。

4、容量東芝的QLC的技術已經可以實現每閃存顆粒768Gb(96GB)的容量，相比之TLC顆粒的 512Gb有了更大提升。如果采用16顆粒封裝，那么可以實現單顆芯片封裝達到1.5TB的容量，容量達到目前單顆最大。如果一塊SSD采用八顆這樣的新品，總容量可以達到驚人的12TB。

寫在最后：

雖說目前QLC 閃存也只是這幾年正式出現在人們的視線中，其在速度、壽命、穩定性等方面可能會比TLC差，但是更*的成本、更大容量的優勢是無法忽視的。隨著技術的不斷發展和成熟，QLC就像當年TLC一樣從不被接納到廣泛認可也是早晚的事情，

其實不管是TLC還是QLC，只要價格夠*，容量夠大，速度夠快，壽命有保障，總會獲得消費者的喜歡，贏得屬于自己的市場份額。

而對于HDD來說，QLC的出現將帶來更大的威脅。或許真正QLC SSD普及之時，才是HDD 跟我們Say byebye之時。

固態硬盤壽命殺手究竟是誰？

與其擔心寫入量的問題會影響固態硬盤壽命，不如擔心一下固態硬盤壽命的真正殺手——過熱和突然斷電。因為固態硬盤是用電信號擦除寫入數據，所以突然斷電對固態硬盤來說非常嚴重的事情，頻繁的突然斷電可能會導致數據丟失，包括已寫入保存的數據！這和機械硬盤是有本質區別的。所謂突然斷電，比如說停電、硬關機這類都屬于斷電范疇。

另一個壽命殺手就是過熱了，固態硬盤其實耐熱能力不如機械硬盤，過熱會極大縮短固態硬盤中閃存顆粒的壽命，這是因為電子芯片會因為過熱產生一種叫做電子遷移的現象，說白一點就是加速老化，從物理結構上造成不可逆的壽命損傷，如果長時間高強度使用固態硬盤，再加上散熱工作不到位，就很容易造成固態硬盤過熱，就小編的看法，這遠比關心閃存顆粒的擦寫次數更值得關注。

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