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为什么QLC闪存部署现在可用于企业


发布日期:2022-08-07 00:46    点击次数:171


QLC闪存技术曾经被认为只适合廉价USB闪存驱动器,而现在已成为企业SSD的可行选择。

企业采用四级单元(QLC) SSD出于多种原因,其中包括3D NAND的出现、更复杂的控制器,以及IT管理员现在对存储工作负载要求有了更好的了解。总之,这些因素使得企业可更广泛地使用不那么坚固的闪存技术-在强度不重要的情况下。

3D NAND使QLC准备好用于企业

3D NAND给NAND闪存带来非常戏剧性的变化。在过去,对于平面NAND,每代新工艺都会使位单元的尺寸缩小,通常缩小4倍。

出于简单的原因,QLC闪存并未在任何平面闪存中广泛使用。当平面闪存芯片迁移到新的工艺节点时,最初都是以宽松的规格推出。在较早的几代中,即SLC,而在大约25nm 时,它变成了MLC。经过大量测试,并随着制造过程变得非常稳定,该行业采取了下一步行动,SLC 芯片构成MLC芯片的基础,而MLC芯片又衍生出TLC芯片。

在降低成本过程中,QLC闪存是自然而然的下一步,与TLC同类产品相比,其成本优势约为20%,但这发生在原始MLC部件推出的几年后。在那时,下一代平面闪存将被推出,其生产成本甚至比上一代的 QLC 部件更低。QLC部件的出现有点太晚,已经没有经济意义。

但当推出3D NAND时,这一切发生了变化。首先,3D NAND的栅极(存储器芯片中的存储元件)大约是 15nm平面NAND的栅极的35倍。这使得3D NAND能够按比例存储更多的电子,这使得在3D NAND中检测QLC位比在15nm平面NAND上检测TLC位要容易得多。

其次,大多数3D NAND使用电荷陷阱进行存储,而不是平面NAND闪存中使用的浮栅。电荷陷阱存储更多的电子。

最后,3D NAND的栅极尺寸不会从一层数到下一层数发生变化,因此3D NAND不需要在平面NAND的每个新工艺节点上进行表征。相反,IT可以专注于从MLC到TLC再到QLC的平滑过渡,并且几乎独立于层数。这也促使供应商探索每单元5位的五级单元NAND闪存的可能性,而对于平面NAND这几乎无法想象。

将QLC视为SLC

基于上述原因,QLC闪存已成为企业系统更可行、可制造和合理的选择。但是,产品展示与MLC和TLC相比,QLC速度更慢,误码率更高,耐用性更低。也就是说,需要想办法克服这些障碍。

现代控制器使用很多技巧来隐藏NAND闪存写入速度极慢的事实。其中一个技巧是告诉NAND闪存芯片暂时将某些区域视为SLC闪存,使它们能够比作为QLC表现得更快地吸收数据。

SLC、MLC、TLC和QLC位单元之间的唯一区别在于它们被编程了多少电压-它们都是同一种晶体管。这意味着IT团队可以任意告诉他们充当SLC、MLC、TLC或QLC,这是当今高端控制器提供的功能。

与一些较旧的技巧相比,控制器可以掩盖QLC的速度和耐用性与SLC闪存之间的差异。

控制器的重要性

现在该行业已经发展到QLC闪存可发挥价值的阶段,这在很大程度上要归功于,价格合理的控制器可以很好地管理这种不太好的闪存,以满足企业计算系统的需求。

摩尔定律对逻辑和内存有着相同的影响:价格总是随着时间的推移而下降。这意味着,如果某个价位的SSD包含1美元的控制器、10美元的控制器或100美元的控制器,则该控制器的处理能力会随着时间呈指数增长。这会自动导致SSD以某种方式表现更好。让它们表现更好的一种方法是,允许它们管理比上一代控制器更差的NAND闪存。

其他控制器的进步包括纠错的演变,从汉明码到Reed-Solomon到BCH,再到低密度奇偶校验码。控制器还使用改进的算法甚至AI来管理SSD,并在不同的工作负载下调整和优化操作。

企业SSD用户了解其工作负载

自首次出现在存储市场上以来,SSD已经发生了缓慢但稳定的变化。

在早期,管理员并不真正了解他们的工作负载,并且当SSD比预期更快磨损时,他们会感到惊讶。当时没有工具可以帮助管理员了解提供给SSD的流量类型。更糟糕的是,应用程序甚至操作系统都没有进行优化,以减少对HDD的存储,因为HDD没有磨损问题。

对此的早期响应是,要求SSD不断提高耐用性。有些SSD制造商使用SLC闪存来延长使用寿命,而其他制造商将驱动器中的闪存数量增加一倍甚至三倍,使系统只能看到三分之一的闪存。这些戏剧性的步骤可能会急剧增加SSD的成本,但它们为SSD提供了高达每天 25 次驱动器写入 (DWPD) 的耐久性水平。

随着时间的推移,这种趋势发生了逆转:管理员开始了解他们的工作负载,应用程序和操作系统开始考虑闪存的磨损,并且,高写入负载区域与写入很少或没有写入的区域分开,使具有多个 SSD 的系统能够使用一组与其工作负载相匹配的混合SSD。现在管理员可通过购买针对1 DWPD或更低的SSD来节省资金。