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你骂我还是要说TLC引领SSD发展新趋势

发布时间:2021-01-20 05:48:16 阅读: 来源:石膏线模具厂家

继三星推出TLC闪存的840系列SSD后,业界实力厂商浦科特也展出了全新的TLC闪存SSD。虽然三星 840系列上市取得不错的销量,但因TLC闪存的寿命、耐久度、稳定性等天生缺陷,推出至今饱受争议。浦科特似乎并不因此受影响,再次扮演搅局者。两大 SSD巨头的积极跟进,让人对TLC闪存技术的发展寄于更多的正能量。这是不是意味着SSD正式迈入TLC闪存的时代?

你骂我还是要说!TLC引领SSD发展新趋势

●TLC闪存SSD简介:速度并不弱的三星 840系列

三星840系列SSD

三星840系列SSD的主控采用四代的MDX,主频300MHz,整合256-bit硬件加密引擎。NAND方面,使用自家的21nm制程Toggle DDR 2.0 TLC闪存颗粒, BGA封装,Page 8KB , Block 1.5MB , Die 8GB。另外,搭配的缓存为30nm LPDDR2-800 512MB DRAM。

三星830、840、840PRO理论性能PK

三星840 500G读取速度达到540MB/s,最大的IOPS可达到98K。在写入性能差一些,低于上一代产品830系列SSD,整体要逊色于加强版 840PRO。容量设定方面,三星为每个容量预留部分OP空间来保证性能和耐久度。这款7mm厚度的SSD还提供3年有限质保。

●预计第四季度上市:浦科特 TLC闪存SSD

不久后上市的浦科特TLC闪存SSD

浦科特在今年的CES展会上展出了首款TLC闪存SSD,具体的型号尚不得知。从国外网站提供的图片及参数看,浦科特新TLC闪存SSD拥有 128GB、256GB、512GB容量,相对于三星840,并没有增加额外的OP。采用最新Marvell 88SS9189主控,搭配19nm 东芝TLC闪存,缓存容量分别是256MB、512MB以及768MB的缓存。

性能方面,128/258/512GB型号的读写速度分别是530/360 MB/s、540/450 MB/s、540/465MB/s,随机读取IOPS为80K,写入为72K,读写性能参数比三星的840还要好。

[Page: ]TLC闪存技术简析:

TLC闪存特点汇总

TLC闪存芯片技术是MLC和SLC技术的延伸,最早期NAND Flash技术架构是SLC(Single-Level Cell),原理是在1个存储器储存单元(cell)中存放1位元(bit)的资料;而MLC(Multi-Level Cell)技术接棒后,架构演进为1个存储器储存单元存放2位元。直至2009年,TLC闪存架构正式问世,代表1个存储器储存单元可存放3位元,使得容量增大成本降低,但仅1000次P/E(理论完全擦写次数)注定了当时仅能运用在U盘,存储卡等产品中。

●TLC的耐久度一直倍受质疑:

SLC闪存 ,约10万次擦写寿命;MLC闪存约3000--10000次擦写寿命;TLC闪存仅500--1000次擦写寿命,对于经常性擦写的SSD来说,这样擦写次数显得捉襟见肘。那为什么TLC的先天寿命不行呢?笔者将收集技术资料与网友们分享下。

TLC闪存工作原理(图片来自网络)

当你要写入数据,需要在控制栅极施加电压,而源极和漏极的电压都为0V。电压形成一个电场,这样电子就可以通过二氧化硅这层绝缘体从N通道进入到浮点栅极。这个过程通常也被成为“隧穿“。二氧化硅起到绝缘层的作用,在电场没有形成之前,电子是无法逃离或者进入浮点栅极的。想要删除存储单元,需要在P型半导体施加电压并且保持控制栅极的电压为0。电场形成后电子就可以通过二氧化硅层。

TLC、MLC、SLC三种工作状态

SLC闪存有0、1两种状态,可以表示1bit数据;MLC闪存有11、10、01、00四种状态,可以表示2bit数据;TLC闪存有111、 110、101、100、011、010、001、000八种状态,可以表示3bit数据,说这些和耐用性有什么关系呢?问题在于,闪存单元每次编程或擦除的电子穿越过程都会导致硅氧化物的损耗。这东西本来就只有区区10纳米的厚度,每进行一次电子穿越就会变薄一些。也正因为如此,硅氧化物越来越薄,耐用性自然就更差了。

硅氧化物损耗得差不多之后,原子键就会断裂,部分电子可能会在穿越过程中被困在氧化物中,导致负电荷积累,使得闪存单元再次编程的时候抵消控制栅极的部分电压。擦写时间也会因此延长,因为在达到何时的电压之前需要更长时间、更高的加压。主控制器是无法改变编程和擦写电压的。如果原本设计的电压值工作异常,主控就会尝试不同的电压,这自然需要时间,也会给硅氧化物带来更多压力。

简单地说,SLC的电压状态最少,可以容忍电压的更大变化,MLC的四种状态也基本可以接受,TLC的八种就太多了,电压可变余地很小。在不清楚确切的所需电压之时,就不得不将同样的电压分成八份(SLC、MLC分别只要两份和四份)。在使用过程中,编程和擦写一个TLC闪存单元所需要的时间也越来越长,最终达到严重影响性能、无法接受的地步,闪存区块也就废了。

另外,随着闪存的磨损,所需要的ECC错误校验也越来越多,因为错误的发生几率更高了。这对于TLC又是一个麻烦,因为需要纠正的数据比特多达三个。虽然如今的ECC引擎都很强大了,但到使用后期,与其费劲纠正错误,还不如直接废了整个区块。

我们知道采用TLC闪存颗粒的SSD,不仅需要很多ECC纠错开销来保证一定的耐久度,还会大幅度降低了写入性能。从市面上唯一出售840系列即可看出,120G写入速度仅130MB/s。

[Page: ]●TLC闪存的寿命够用吗?

完美的磨损均衡和写入放大系数应该是1x。拿三星840 250GB为例子,终生写入量就是256TB,编程/擦写次数1000。大家都知道完美是不存在的,所以得出确切的使用寿命是很难的,毕竟每个用户的情况都不一样,不过一般人平均每天写入量不会超过10GB,那么一年就是3.65TB,只相当于256GB写入总量的1.4%。

当然了,NAND闪存写入量实际要大于主控写入量(这就是系数不同),但即便写入放大系数为10x,每年也就36.5TB,编程/擦写次数大约143,算下来依然能用七年,即便是120GB型号也能用三年半。虽然这之后同类型MLC闪存硬盘的三分之一,但考虑到PC产品的更新换代频率,一般来说也完全足够用了,只不过寿命后期的性能会差一些。

●成本决定TLC未来:

SSD的高成本主要是因为内部闪存颗粒的高价格导致的,随着工艺的改进,相同的物理尺寸下可以做出更大容量的颗粒进而降低成本,是大势所趋。

SLC在每个存储单元内存储1比特数据,MLC存储2比特数据,TLC则存储3比特数据,如图所示同样的晶体管数量得到的容量也就会有区别。由于这样做后TLC的存储容量会比较怪异,不是我们常用的2/4/8/16这样表示,所以最后成品的晶体管数量实际会被去掉1/3,达到MLC的容量并保持2/3的物理尺寸,(净成本相比MLC下来50%左右)。

总结:

目前消费级SSD还普遍采用的MLC颗粒,不过随着三星、浦科特等一线SSD厂商的跟进,加上一些针对提升TLC闪存颗粒耐久度相关技术的产品的出台(信号处理,更强的ECC算法等)及TLC闪存颗粒在价格上的吸引力,笔者相信TLC闪存颗粒将会在今后2--3年内普及到SSD上。那时,再来谈SSD 的普及。

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