淺談3D-NAND、QLC和SCM介質技術和新產品

NAND Flash技術的發展完全沿著技術演進、商業價值和需求匹配的車轍在不斷行駛。諸如SRAM，DRAM，EEPROM等產品和技術。在每個存儲器單元存儲一位的二進位數據的NAND Flash 技術被稱為單級單元(SLC)。但是由於SLC在容量和價格等原因，促使MLC、eMLC及TLC這三種快閃記憶體顆粒迅速發展起來，關於Flash顆粒介紹請參考文章「快閃記憶體技術最全面解析」。

NAND Flash在應用普及和全面替換HDD遇到最直接的一個問題還是價格，從SLC、MLC到TLC一直才尋求價格的平衡點，儘管TLC能夠解決SSD容量瓶頸，卻還是不能完全解決SSD價格的難題。大容量SSD仍舊昂貴，小容量SSD+大容量便宜HDD的混合存儲解決方案也層出不窮，但在體驗上終究沒有單純大容量SSD來得好。目前來看，TLC還是相對來說在性能和價格方面平衡不錯的方案，再說隨著容量的增加、技術的改善，TLC快閃記憶體的擦寫次數逐漸等到優化，也並沒有想像中那麼容易失效。

結合實際應用發現，SSD在處理數據寫入時，每次都寫到新的物理地址，從而使得所有的快閃記憶體物理空間被均勻使用。假設一塊600GB的SSD，其快閃記憶體介質寫次數為1萬次，那麼該SSD可以寫入的數據總量達到6PB(600GB*10000)；在實際企業級環境中的硬碟，整個生命周期的寫入數據總量遠小於200TB，這意味著這塊600GB的SSD使用10年以上。

技術永遠無法脫離實際應用，TLC顆粒在3D-NAND Flash的產品應用非常廣泛，先後出現了32，64，72，96層的基於TLC的3D NAND Flash產品，起初這些TLC產品只要應用在消費級產品，但目前很多存儲廠商已經把TLC顆粒引入企業級存儲產品。下面我們看看主流3D-NAND Flash廠商(三星、東芝、WD和SK Hynix四大廠商)的新產品和動態。

東芝(Toshiba)攜手SanDisk 研發出全球首款採用堆棧 96 層製程技術的TLC 3D NAND Flash產品，且已完成產品試作。該款堆棧 96 層的 3D NAND試製品單顆晶元容量為 256Gb(32GB)，預計於 2017 年下半年送樣、2018 年開始進行量產，主要用來搶攻數據中心用 SSD和PC桌面SSD等市場。

三星在 3D NAND Flash一直處於領先地位，在去年就發布64 層 3D NAND。但前不久SK Hynix 推出第四代 72 層的 3D NAND進入量產，主要用於行動設備，並已交貨給客戶。韓國對3D NAND Flash技術和市場的控制力是不容忽視的。

Intel發布了新一代SATA SSD 545s產品，採用64層堆疊快閃記憶體的SSD取代去年的SSD 540s，當時Intel自己的3D堆疊快閃記憶體技術還不成熟，所以採用了SK海力士的16nm TLC和慧榮主控SM2258。SSD 545s採用的是Intel第二代3D TLC快閃記憶體顆粒(Intel的第一代3D快閃記憶體是32層堆疊)，64層堆疊設計，具有浮動柵極存儲單元，單顆容量256Gb(32GB)。SSD 545s的主控採用了升級版慧榮主控SM2259，加入了對 端到端數據保護和ECC的支持(主控SRAM和外部DRAM均有)，同時搭配Intel定製固件 。支持每天0.3次全盤寫入，終生寫入量288TB。

為了延長SSD磨損壽命，多數廠商提供容量超配。例如一塊100GB容量的SSD，其內部的快閃記憶體顆粒的物理容量是大於100GB，企業級SSD一般可以達到128G或者更多，超出的那部分就被稱為冗餘。或者採用較好的部件，如 更好的顆粒、更好的控制晶元 ，提供強力的LDPC糾錯演算法等，但是SSD壽命並非單純取決於快閃記憶體的類型，而是多個因素綜合作用的結果。

快閃記憶體介質中，保存數據的基本單元被稱為Cell。每個Cell通過注入、釋放電子來記錄不同的數據。電子在Cell中進出，會對Cell產生磨損；隨著磨損程度的增加，Cell中的電子出現逃逸的概率會不斷增加，進而導致Cell所保存的數據出現跳變。例如某個Cell最開始保存的二進位數據是10，一段時間後再讀取該Cell，二進位數據可能就變成了11。因為快閃記憶體中保存的數據有一定的概率出現跳變，因此需 要配合ECC演算法(Error Correcting Code)來使用， SSD內部 需要有ECC引擎進行數據檢錯和糾錯 。

寫入SSD顆粒數據時，ECC引擎基於原始數據計算出冗餘數據，並將原始數據和冗餘數據同時保存。從SSD讀取數據時，原始數據和冗餘數據一併被讀出，並通過ECC引擎檢查錯誤並糾正錯誤，最終得到正確的原始數據。

快閃記憶體所保存的數據出現跳變的數量，隨著擦寫次數的增加而增加。當擦寫次數達到一定的閾值後，快閃記憶體中保存的數據出現跳變的數量會增大到ECC引擎無法糾正的程度，進而導致數據無法被讀出。這個閾值就是快閃記憶體的最大擦寫次數

在SSD領域，當前標準的ECC演算法是BCH演算法(以三位作者的名字首字母命名)，可以滿足絕大多數SSD的糾錯需求。大多數產品中，快閃記憶體介質所宣稱的最大擦寫次數，就是基於BCH演算法來給出的，但是BCH演算法的糾錯數據位比較有限，所以目前糾錯能力更強的演算法也被應用，如LDPC(Low Density Parity Check Code)是一個糾錯能力很強的演算法，可以糾正更多的數據跳變。

SLC、MLC及TLC這三種快閃記憶體晶元，大家都很清楚，但接下來 QLC快閃記憶體晶元要開啟它的逆襲之路，而東芝和西數已經率先做出表率 ，目前主要針對智能型手機(如iPhone等)、平板計算機和記憶卡市場。

東芝今後也計劃推出採用 堆棧 96 層製程技術的 512Gb(64GB)3D NAND 產品以及採用全球首見的QLC(Quad-Level Cell)技術的 3D NAND 產品 。該款QLC試作品為採用堆棧 64 層製程技術，實現業界最大容量的 768Gb(96GB)產品，已經提供給 SSD 廠、控制器廠進行研發使用。

西數全球首發了96層堆棧的3D NAND快閃記憶體，其使用的是新一代BiCS 4技術(預計下半年出樣，2018年開始量產)，除了TLC類型外，其還會支持QLC，這個意義是重大的。西數已經用實際行動表明會支持QLC，而接下來三星、Intel、SK Hynix等廠商也勢必會跟進(目前還 沒有正式公布QLC的進展 )， 為何廠商會跟進可靠性、壽命比TLC還差的QLC 。

目前來看，QLC快閃記憶體單位存儲密度是TLC的2倍，單顆晶元可達到256GB甚至512GB。但是QLC快閃記憶體的電壓更難控制，寫入速度更低，可靠、穩定性及壽命比TLC更差。 個人覺得主要的原因 是成本和快閃記憶體對壽命SSD的不斷 優化，隨著SSD控制對QLC技術優化，也有理由相信QLC跟TLC走同樣的路，也有可能被用在企業產品 。

從長遠來看，能不能將SSD的價格拉下來，我個人對QLC是寄予厚望的，但具體時間目前卻無法預知，從TLC到QLC的技術過度需要時間，需要雙倍的精度才能確保足夠高的穩定性、壽命和性能。如果參考TLC的歷程，價格優勢更難在短期內體現出來，QLC大批量上市並且明顯帶動降價節奏的時間也是我所期待的。

對於存儲介質的未來除了NAND Flash外，還要有很多技術值得期待。 SCM( Storage -Class-Memory)產品已經出現在大眾視野 ，如美光、英特爾自2016年開始量產的 3D-Xpoint ，威騰、東芝合作開發的 3D-ReRAM 。SCM的讀寫速度是3D-NAND的千倍，但在產品測試結果顯示只有幾十倍，這也說明SCM在讀寫性能上還有較大的提升空間值得期待。然而3D-NAND+類DRAM混合型的4D-NAND集前端高速度DRAM和後端低價大容量的3D-NAND於一身，也將會在容量和性能中找到一個很好的折中點。

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