[深入理解NAND Flash (颗粒篇)] 闪存芯片物理结构与_SLC/MLC
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内容摘要
前言
1 闪存芯片简介
2 颗粒类型
2.1闪存密度分类
2.2 SLC、MLC、eMLC和TLC如何选择？
2.3 如何在电商网站查看SSD 闪存类型
2.4 为什么TLC的性能在三种介质中最差？
3 2D NAND VS 3D NAND
4 颗粒等级
前言
固态硬盘(Solid State )，简称SSD。它是一种电脑存储设备，由闪存(FLASH）、 闪存控制器、高速缓存（DRAM）组成。这是是固态硬盘的三个基本部件，对性能有关键影响。
1 闪存芯片简介
闪存颗粒是固态硬盘中数据的真实存储地，就像机械硬盘的磁盘一样。
闪存颗粒flash 是一种存储介质，重要的区别于传统机械盘存储介质就是它是一种非易失性存储器，就是断电可以保存写入的数据，以固定大小的区块为单位，不是以单个的字节为单位。
2 颗粒类型
市面上常见的固态硬盘SSD闪存芯片颗粒类型分为四种：SLC、MLC、TLC、QLC 。
闪存颗粒有很多种类，现如今在固态硬盘中，最最常使用的现在最火热的就是NAND Flash 。因为它具有功耗低、价格低、性能佳的优点，在存储行业中，是最重要的存储原料。这些原料材料不好，研究啥都白扯，啥CPU控制也没用了。得材料着得天下。
2.1闪存密度分类
SLC (单层存储单元)
MLC (双层存单元)
TLC (三层存储单元)
QLC (四层存储单元）
PLC (五层存储单元)
由于技术的发展，主流闪存颗粒类型为3D TLC NAND 闪存。相较MLC，3D TLC与以前相比，成本也有所下降。目前固态硬盘之所以普及，很大程度上是因为3D TLC固态硬盘的进步。
这几种存储单元在生产成本和使用寿命上有明显区别，层数越高的存储单元，它的单位存储成本越低，寿命和读写性能也越低。
那么，介绍一下这四种闪存芯片颗粒类型的区别。
1.1、SLC （个人使用就算了，太贵了，土豪必选）
SLC ，全称-Level Cell，即 1bit/cell。
特点： 速度快寿命长，价格贵（约MLC 3倍以上的价格），约10万次擦写寿命。
成本最高，所以SLC颗粒多数用于企业级高端产品中。个人家庭使用就算了，价格太贵了，土豪一定要选择。
1.2、MLC （推荐）
MLC ，全称 Multi-Level Cell，即 2bit/cell 。
特点： 速度挺高、寿命挺长，价格挺贵，约3000—10000次擦写寿命。
成本相对较高，但是对于个人消费级来说也可以接受，多用于家用级高端产品中。
1.3、TLC（可接受、想要大容量的推荐）
TLC ，全称 -Level Cell ，即 3bit/cell ，也有Flash厂家叫 8LC。
特点： 速度一般、寿命一般，价格稍贵，约500-1000次擦写寿命。
目前，市面上价格贵的，但是大容量的SSD，这样的SSD一般使用此闪存颗粒。
1.4、QLC（不推荐）
QLC，全称是 Quad-Level Cell ，四层式存储单元，QLC闪存颗粒拥有比TLC更高的存储密度。
成本上相比TLC更低，优势 就是可以将容量做的更大，成本上更低；
劣势 就是 寿命更短，理论擦写次数仅150次。
性价比很高，既满足大容量的要求，又有价格上的优势。但是不太推荐。
当前，很多大容量的，价格又便宜的 SSD 都是使用这种的闪存。
2.2 SLC、MLC、eMLC和TLC如何选择？
下面我们将告诉大家如何判断闪存驱动器是否适合预期的工作负载或用例，包括从企业级到消费者端。在下面的图表中，写入/擦除(PE)周期用来衡量NAND 闪存可以支持多少读和写操作。虽然它们没有机械部件可以磨损，但SSD驱动器仍然存在有限的使用寿命。
每种类型的NAND闪存都有不同的使用寿命，这意味着它会在SSD降级并最终失效之前提供有限数量的P/E周期。当然，除了制造缺陷，电力激增或其他灾难性的破坏可能导致SSD的失效。这是决定SSD支持的存储工作负载和应用程序类型的主要影响因素。
个人使用推荐使用MLC/TLC, TLC 是主流。TLC SSD趋势不能阻挡，虽然TLC SSD的性能比不过用MLC的SSD，但再糟糕都比HDD要好得多。所以我们要有这个观念。第二，在TLC的推动下，240GB的SSD已经不用400元就能入手，性价比十分不错。总之，TLC不再是吴下阿蒙，所以我们不必再担心TLC的种种顾虑，尽情使用吧！毕竟质保放在这呢。
2.3 如何在电商网站查看SSD 闪存类型
3.1、三星（）512GB 970 PRO
下图是 三星（）512GB SSD固态硬盘 970 PRO ：
参数如下：
参数表中， 闪存类型是 MLC 。
3.2、三星（） 970 EVO Plus
下图是 三星（）500GB SSD固态硬盘 970 EVO Plus（MZ-） ：
参数如下：
上面参数表中， 闪存类型是 TLC ，512G的价格是 7多百元。
与上面的那一款都是 三星 970 系列，容量都是 512GB ，但是价格却相差近一倍，最大的区别就是 闪存不同 。
2.4 TLC工作原理：
根据NAND的物理结构，NAND是通过绝缘层存储数据的。当你要写入数据，需要施加电压并形成一个电场，这样电子就可以通过绝缘体进入到存储单元，此时完成写入数据。如果要删除存储单元（数据），则要再次施加电压让电子穿过绝缘层，从而离开存储单元。
所以，NAND闪存在重新写入新数据之前必须要删除原来数据。
由于TLC的1个存储器储存单元可存放3 bit的数据，为了区分，必须使用不同电压来实现。除了能够实现和SLC一样的000（TLC）=0（SLC）和111（TLC）=1（SLC）外、还有另外六种数据格式必须采用其他不同的电压来区分，让不同数量的电子进入到存储单元，实现不同的数据表达。这样，才能让TLC实现单位存储单元存放比SLC、MLC更多数据的目的。
2.4 为什么TLC的性能在三种介质中最差？
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由于数据写入到TLC中需要八种不同电压状态， 而施加不同的电压状态、尤其是相对较高的电压，需要更长的时间才能得以实现（电压不断增高的过程，直到合适的电压值被发现才算完成）。
所以，在TLC中数据所需访问时间更长，因此传输速度更慢。经过实测，同等技术条件下，TLC的SSD性能是比不上MLC SSD的。
3 2D NAND VS 3D NAND
为闪存市场带来突破的最大创新之一是3D NAND或V-NAND。顾名思义，它使用堆叠架构在SSD中安置内存单元，而不是过去平面排列的方法。
实际上，与2D NAND相比，这种架构使供应商能够以更低的成本，将更多的容量压缩到更小的物理空间中。它还能提供更快的速度、更长的使用寿命和更低的功耗。现在大多数主要SSD供应商都提供3D NAND SSD。
3D NAND闪存对比2D有着寿命优势
3D NAND闪存就是TLC的一个重要方向。3D NAND是不再追求缩小Cell单元，而是通过3D堆叠技术封装更多Cell单元，所以我们不必要追求更先进的制程，毕竟制程约先进，寿命反而越差。所以，可以使用相对更旧的工艺来生产3D NAND闪存，使用旧工艺的好处就是P/E擦写次数大幅提升，而且电荷干扰的情况也因为使用旧工艺而大幅减少。
3D NAND闪存结构
未来的3D NAND可能都会做成可以MLC与TLC工作模式相互切换，也就是用TLC屏蔽一半容量、来充当MLC，也就是各种所谓的3bit MLC技术创新。
4 颗粒等级
挑选固态硬盘不仅看颗粒类型，更要看 颗粒等级。
生产厂商会根据品质的不同，把闪存颗粒分为正片、白片和黑片。
2.1、正片
正片，当然就是完全按照标准来制造，质量过关的产品，是最好的闪存颗粒。
由于闪存颗粒生产厂商同时也会生产固态硬盘，这种质量最好的颗粒，一般都用在自己的高端产品上，当然价格也是最贵的。
2.2、白片
白片，就是质量没问题，但是性能则稍微差一点的闪存颗粒。
一般没有颗粒生产能力的固态硬盘厂商都会选择这种颗粒。
2.3、黑片
黑片，就有点坑了，一些小厂家会使用这种闪存颗粒生产固态硬盘，这种硬盘在使用过程中完全没有安全感，说不定什么时候就会损坏。
固态硬盘SSD 参数中是不会注标是正片、白片，还是黑片的。
一般情况下，小的生产商和国内的一些生产商由于受国外技术的限制，先进的技术和设备无法获取到，只能使用一些老旧的、淘汰掉、不合格的东西，所以…。
参考：
