是未來還是雞肋？首款消費級QLC SSD深度體驗

不知大家是否還記得，當幾年前壽命、性能不如MLC顆粒的TLC固態硬碟在市場上出現時，不少人對這類固態硬碟是非常抵觸的，似乎只有使用MLC顆粒的產品才是值得購買的SSD。不過隨著技術的發展、整個行業對TLC顆粒的大力支持，目前TLC顆粒已經「入住」大部分SSD。而就在消費者基本接受TLC顆粒的時候，一種理論技術指標比TLC還要差的QLC顆粒又出現了，有的人對這種顆粒是嗤之以鼻，有的人卻說它是普及大容量SSD的「救世主」，那麼QLC SSD到底能帶來怎樣的表現？接下來就請大家通過《微型計算機》的消費級QLC SSD首發測試來得出答案。

我們為什麼需要QLC顆粒？

為什麼會出現QLC顆粒，根本原因還是在於SSD的高價。可能有人會說2018年SSD不是才經歷了一波降價嗎？的確，但相對於機械硬碟來說，它們的價格還是偏高，在本文截稿時為止，希捷酷魚1TB 7200轉的機械硬碟價格為309元，而在相近價格下，我們只能買到256GB的固態硬碟。因此不論固態硬碟如何降價，它與機械硬碟之間還是存在很大的價差，很多人只用得起小容量的SSD。因此為了讓普通人也能用上大容量固態硬碟，並推動固態硬碟的普及，廠商只能在固態硬碟中成本最大的部分即快閃記憶體顆粒上動腦筋。

幾種不同的NAND工作時電壓狀態，從上向下分別為每個NAND存儲單元存儲一個數據的SLC、存儲2個數據的MLC、存儲3個數據的TLC和存儲4個數據的QLC單元。

目前我們在市場上看到的SSD主要使用SLC、MLC和TLC三類顆粒。從名稱來說，SLC也就是Single-Level Cell，單倍單元。MLC是指Multi-Level Cell，字面意思是多倍單元，實際上是指2倍。TLC是指Trinary-Level Cell，也就是三倍單元。從存儲能力來看的話，SLC每單元只存儲1bit數據（單倍），存儲能力最差，但是速度和壽命最好，價格最為昂貴。MLC則是2bit（2倍），有一定改進，速度和壽命表現也不錯，價格也比較貴；TLC則更強（3倍），每單元可以存儲3bit數據，速度和壽命表現一般，價格便宜不少。

除了上述三種常見的顆粒外，目前最新上市的就是QLC顆粒，全稱是Quad-Level Cell，字面意思是4倍單元，也就是每單元可以存儲4bit數據。換句話來說，在使用相同數量、價格的原材料情況下，QLC顆粒的存儲能力比TLC大了33%，是MLC的2倍，是SLC的4倍。因此QLC顆粒可以有效提升固態硬碟的存儲容量或者降低在相同容量下，SSD的生產成本與售價。

不過有得必有失，快閃記憶體顆粒確定是否存在數據的方法是使用電壓來衡量。如果浮柵的電壓無法維持固定的值，那麼單元會表現出錯誤的數據值。同時隨著擦寫次數增多，浮柵儲存電荷的能力就會不斷下降，隨後顆粒電壓會逐漸漂移。對於只存儲1bit數據的SLC顆粒來說問題不大，它只需要有2個工作狀態就可以確定數據了。

比如浮柵以電容擁有15V電壓（估計值）作為數據0，0V作為數據1的話，那麼兩個狀態之間存在巨大的差距使得任何測量設備都無法忽視，即使出現點問題也不是很難處理。假設SLC一開始單元中可以維持較高的電壓差值，隨著浮柵磨損電壓差值逐漸漂移，只能以10V/3V甚至6V/2V、4V/1V進行判斷，這在理論上也是完全可行的。足夠高的電壓差值使得SLC耐久性能極高，SLC的超長壽命正是來自於此。

同樣的問題在MLC上就更複雜一些。假設依舊存在15V的電壓差，MLC上判斷數據狀態也就是00，01，10，11四種狀態，需要3個電壓差才能確定。假設不同狀態的電壓差平均分布，那麼MLC最理想狀態下需要有四個狀態，那就是15V、10V、5V、0V—相比SLC而言，MLC的兩個相鄰狀態之間的電壓差急劇縮小，只有5V（SLC則高達15V）。

從結構上來看，MLC的顆粒和SLC顆粒不存在任何差異，都會由於浮柵中電子不斷逃逸而最終導致電壓值變得不那麼明顯。SLC的「數據差值」高達15V，MLC只有5V的話，可能MLC經過長時間磨損後達到10V、8V、6V、3V時表徵4個狀態就已經很勉強了，如果繼續磨損的話，MLC顆粒就可能無法清楚地表徵4個狀態從而走向報廢的邊緣。

繼續看TLC的話，需要表徵8種狀態，每種狀態代表3bit信息，分別是000，001，010，011，100，101，110，111，單元還是那個單元，但是電壓狀態更多了，在15V的範圍內，存在8種狀態會導致每種狀態的電壓差急劇縮小，平均只有大約不到2V，磨損導致電壓漂移的空間極小。TLC這種極小的電壓差，使得單元在長期使用後只要稍微出現電壓漂移，就可能發生狀態之間的「糾纏」，因此早期TLC的P/E壽命只有800～1000次，但是隨著技術不斷改進，TLC的壽命也在增加，目前已經能夠提高到3000次左右。

需要存儲16個狀態，QLC顆粒幾乎已經達到快閃記憶體存儲的極限。

最後來看QLC顆粒的話，它需要表徵16種狀態，也就是每種狀態代表4bit信息，在15V電壓內，16種狀態之間的電壓差大約只有1V，這使得本來就不夠耐久的電子磨損效應非常明顯，從而導致電壓漂移的NAND顆粒讀寫次數變得極為有限，部分數據顯示早期QLC顆粒只有大約100次P/E全周期循環壽命。這個問題是否無解呢？

答案是否定的，去年在TLC顆粒上廣泛應用的3D NAND即3D堆疊技術不僅提升了存儲密度，還有效地延長了顆粒的使用壽命。原因很簡單，堆疊技術使得人們可以使用40nm這樣較老的工藝、通過多層堆積的方式提高單位數據密度。更老的工藝帶來了更抗磨損的絕緣層，另外針對浮柵的改進也使得電子不那麼容易逃逸。同時再加上材料絕緣性的改善、新演算法的導入，存儲上游廠商表示QLC顆粒的壽命已經能達到500～1000次P/E循環，這也使QLC SSD上市銷售，真正供最終用戶使用成為了可能。

當然在性能尤其是寫入性能上的不足，QLC顆粒從理論技術上來看還無法克服這一障礙。這是因為QLC顆粒需要一次寫入、讀取4bit數據，再加上電壓控制要求很高，因此其速度表現是不如MLC、TLC的。同時它的P/E編程時間相比MLC、TLC也更長一些，所以它的I/O性能也要差一些，訪問延遲更高。

消費級QLC SSD

三星860 QVO 1TB SSD

本次我們要測試的是三星推出的首款採用QLC顆粒的消費級SSD—860 QVO系列1TB。與採用TLC顆粒、最低容量產品可到250GB的三星860 EVO不同，得益於QLC顆粒的採用，三星860 QVO系列SSD的最低容量產品就達到1TB，另外還提供了2TB、4TB兩種容量供用戶選擇。打開固態硬碟的外殼可以看到，這款產品採用的還是在860 PRO、860 EVO上就得到使用，工作頻率達1GHz的三星MJX主控晶元，並搭配1GB LPDDR4緩存。

三星使用了64層 V-NAND 3D堆疊技術來生產QLC顆粒，這不僅使得單顆QLC顆粒的封裝容量就達到了1TB，還令三星可以使用較老的工藝來生產3D堆疊顆粒，從而提升QLC顆粒的壽命。考慮到QLC顆粒寫入性能一般，三星在860 QVO系列SSD上也加入了TurboWrite即SLC緩存機制—最低可提供6GB緩存容量，同時會根據固態硬碟可用容量大小提供36～72GB的「智能緩存」可用容量。

拆開三星860 QVO 1TB SSD的外殼，可以看到它的PCB面積非常小，不到外殼的一半，只有主控、緩存、快閃記憶體三顆晶元。

編號為「K9XVGY8J5M」的三星QLC快閃記憶體顆粒，單顆容量達到1TB，是製造大容量SSD的關鍵。

壽命方面，根據三星的官方數據來看，三星860 QVO 1TB SSD的保修寫入量為360TB，即在達到這個寫入容量前免費保修，2TB產品的保修寫入量為720TB、4TB容量為1440TB。與採用TLC顆粒的860 EVO相比，它的保修寫入量基本達到了TLC顆粒的50%以上，如860 EVO 1TB的保修寫入量為600TB，2TB產品為1200TB，4TB為2400TB。總的來看，對於寫入量不多的普通用戶來說，QLC的規格倒也能接受。就算每天寫入50GB，1TB產品要達到保修寫入量也需要20年。當然三星860 QVO系列SSD的保修時間只有三年，就像汽車的保修時間與保修里程關係一樣，以先到者為準。

基準性能測試

AS SSD Benchmark 1GB容量測試

三星860 QVO 1TB

西部數據藍盤Blue系列1TB

AS SSD Benchmark 10GB容量測試

三星860 QVO 1TB

西部數據藍盤Blue系列1TB

測試點評：我們通過採用TLC顆粒、相同容量的西部數據藍盤Blue系列與三星860 QVO 1TB SSD進行了對比，而從大家常用的AS SSD Benchmark來看，測試結果令人滿意。不論是使用1GB容量還是10GB容量，三星860 QVO 1TB SSD的測試成績都要稍高一些，在使用10GB容量測試時，也沒有出現掉速。

Anvil"s Storage Utilities 32GB容量測試

三星860 QVO 1TB

西部數據藍盤Blue系列1TB

測試點評：為此我們通過能使用更大測試容量的Anvil"s Storage Utilities進行了更苛刻的測試。結果顯示在32GB測試容量下（註：該軟體在32GB容量測試時會生產一個32GB文件進行讀取測試、一個32GB文件進行寫入測試，實際寫入量為64GB），三星860 QVO 1TB SSD的寫入性能出現了掉速，其連續寫入速度僅100MB/s出頭，不過在讀取性能上的表現還是不錯，相對對比TLC SSD甚至有一定優勢。

當然基準測試軟體並不能完全反映SSD的真實表現，因此我們還會通過偏嚮應用性的測試與實際體驗對三星860 QVO 1TB SSD進行測試，在接下來的測試中我們還加入了7200轉的希捷酷魚1TB機械硬碟來進行對比。

PCMark 8存儲性能測試

三星860 QVO 1TB

西部數據藍盤Blue系列1TB

希捷酷魚1TB機械硬碟

測試點評：在模擬如Photoshop、InDesign、After Effects等眾多真實軟體存儲應用的PCMark 8存儲性能測試中，TLC顆粒SSD還是顯示出了其應有的實力，其4935分的得分位列第一，而三星860 QVO 1TB則緊隨其後。落後的原因在於在一些應用中三星860 QVO 1TB的用時要多一些，不過差距很小，大多隻多用時1～3秒。而與機械硬碟相比，QLC SSD則還是擁有壓倒性的優勢，機械硬碟在PCMark 8中的得分只有2563分，在很多應用中要多耗時20秒，甚至165秒接近3分鐘。

應用性能測試

測試點評：在文件讀寫測試中，為了發揮各款SSD的最大性能，我們特別搭配高性能的英特爾750系列 1.2TB NVMe SSD進行了測試。可以看到，在小容量文件讀寫中，得益於TurboWrite即SLC緩存，QLC SSD的表現不錯，讀寫速度均能保持在SATA SSD中的較高水準。不過一旦讀寫大容量文件，如總共54GB影音文件時，其寫入速度還是會明顯下降到221.1MB/s，說明這款SSD的SLC緩存容量是小於54GB的。而在讀取性能上，它則仍然維持在500MB/s以上的優秀表現。同時與機械硬碟對比可以看到，不論是進行大容量影音文件傳輸，還是偏重隨機讀寫性能的《英雄聯盟》安裝文件傳輸，QLC SSD仍然具備非常明顯的優勢。

遊戲啟動體驗中，也可以看到QLC SSD相對TLC SSD的確有一定差距，但差距不算太大，在「硬碟殺手」《奇點灰燼：擴展版》的啟動中，三星860 QVO 1TB的耗時與TLC SSD相比也就多了不到4秒，同機械硬碟相比則將啟動耗時縮短了足足24秒。

HD TUNE全盤讀寫測試

三星860 QVO 1TB HD TUNE全盤讀取測試

三星860 QVO 1TB HD TUNE全盤寫入測試

最後我們還通過HD TUNE全盤讀寫測試，探究了QLC快閃記憶體顆粒的最終讀寫性能。從讀取性能上來看，QLC SSD與TLC SSD是沒有明顯差別的，甚至比一些TLC SSD更好，全盤連續讀取平均速度都可以穩定在529.1MB/s。不過在寫入測試上，差距則比較大—通過全盤寫入測試，我們可以發現三星860 QVO 1TB的SLC緩存容量在40GB以上，但不到50GB。

在數據寫入容量小於SLC緩存容量時，其寫入速度可以達到450MB/s以上，接近500MB/s。一旦寫入容量大於緩存容量，其寫入速度就會大幅下跌至75MB/s～85MB/s左右的水平，而這也是QLC顆粒的真實寫入性能，其全盤平均寫入速度只有96.7MB/s。這個連續寫入速度的確與機械硬碟相比也是有一定差距的，畢竟希捷酷魚1TB機械硬碟的全盤平均連續寫入速度也可達到149MB/s。

適合普通應用

但需體現價格優勢

可以看到QLC SSD在讀取性能上，相對現在的TLC SSD沒有明顯區別，可以說是非常接近的。而在SLC CACHE容量範圍內的寫入性能也能做到與TLC SSD相差不多，在大部分日常應用中相對於機械硬碟擁有壓倒性的優勢，其主要的弱點就是不適合大容量寫入。因此我們認為，如果消費者一般沒有動輒幾十GB、上百GB的寫入需求，特別是那些只想買一塊SSD回來做遊戲啟動盤的玩家來說，結合QLC SSD的大容量優勢、夠用的壽命與相應的保修標準，QLC SSD也能滿足消費者的使用需求。

不過QLC SSD的價格優勢暫未體現出來，在本文截稿時三星860 QVO 1TB的售價為1149元，三星860 EVO 1TB的售價也就1299元，為了這100多元的價差放棄幾百TB的寫入壽命、更好的性能顯然是缺乏誘惑力的。因此QLC SSD要想得到人們的接受，還需要廠商擴大生產規模，大幅、有力地降低QLC SSD的售價。

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