闪存的缺点

NAND闪存分类

众所周知，NAND闪存可分为四种存储颗粒，即SLC、MLC、TLC和QLC，其性能和可靠性依次递减。其中，SLC闪存的每个单元只能存储1bit的数据，即电压只有0和1两种变化。由于结构简单，SLC闪存具有超过100，000次的可擦除寿命(P/E次)和更好的性能。

MLC、TLC和QLC闪存的每个单元单位可以分别存储2位、3位和4位数据。以QLC闪存为例。虽然它可以用同样数量的电池做出4倍于SLC的容量(电压状态)，但由于它的16种电压变化(2的4次方)越来越难以管理，导致它的读写速度急剧下降，可擦寿命急剧下降到1000次以下(图1)。因此，作为QLC的继承者，每个单元单元可以存储5位的PLC闪存。即使能帮助SSD进一步扩大容量，降低成本，但其可靠性更是让人难以放心。

那么，SSD真的很难兼顾成本、容量和可靠性吗？随着2021年英特尔的670P固态硬盘(QLC闪存颗粒)，我们不难找到我们想要的答案。QL如何改变自己的命运？

说到英特尔，很多朋友可能只知道它是一家专业的处理器厂商。事实上，英特尔在闪存技术的研发方面已经有30多年的历史。早在80年代中期就开始进军NOR闪存，并在2005年左右将其部队部署到NAND闪存的战场，参与并见证了从6 5 nm→1x nm工艺，2DNAND→3D NAND，SLC→QLC的各种技术迭代(图2)。

3D NAND技术

弥补SLC→QLC闪存架构过渡过程中性能和可靠性损失的最有效方法就是提高单位面积的容量。所以出现了3D NAND堆叠技术。

简单来说，传统的2D NAND在平面上只有二维，单位面积就那么大。要想提高产能，只能指望制造工艺的升级。而3D NAND可以像积木一样堆叠无数个2D NAND层(图3)。此时，结合更先进的制造技术，可以在单位面积内堆叠摩天大楼，从而实现更高的存储密度和更高的可靠性。

英特尔在2016年完成了第一代3DNAND技术，可以堆叠32层。2017年，英特尔发布了使用第二代3DNAND技术可堆叠64层的QLC颗粒，存储密度提升了133%。第二年(2018年)，QLC CSSD量产上市。随后，2019年96层第三代3DNANDQLC进一步将存储密度提高了50%，2021年新发布的144层第四代3DNANDQLC再次将存储密度提高了50%，比第一代3 dnandlc高出数倍(图4)。

就闪存的可擦寿命而言，这个P/E次数不是一成不变的，而是会随着算法、技术、n and的优化升级而增加。很多年前东芝QLC测试的市盈率只有500倍，但QLC量产的实际市盈率可以达到1000倍。同样，随着垃圾收集、TRIM、坏块管理、纠错等技术和功能的引入，QLCSSD的可靠性也将不断提高。以Intel 670P为例，其512GB容量版本的耐用性达到了185TBW。虽然还是没有高端TLCSSD的300TBW高，但是相比消费者最早的预期已经有了很大的提升。

垂直浮栅闪存结构

如前所述，每单位可存储4位的QLC有16种电压状态，未来的PLC将有多达32种电压状态，这将在如何保持数据的稳定性和持久性方面面临更大的挑战。为了解决这个问题，英特尔的方法是优化闪存的底层结构设计。

简单来说，英特尔的3D NAND闪存一直走的是浮栅(FG)结构+阵列下CMOS设计(CuA)的路线。其他朋友的3D NAND闪存大多是替代栅结构，或者CTF路线。相比之下，Intel浮栅的cell unit比较均衡，堆叠层更紧密更对称，没有额外的Cell开销，而友商的替换栅会浪费一些空空间，从而影响Cell unit的堆叠效率和密度(图5)。根据英特尔给出的数据，Intel 3 DNAND的面积存储密度最多可以提高10%，每片晶圆可以削减更多的容量，成本也可以得到更好的控制。

为了提高可靠性，Intel 3 DNAND闪存还采用了垂直浮栅单元技术，通过浮栅技术存储电子路径。不同的小区小区是分开的，这样可以最大限度地减少小区之间的干扰，更好地防止泄漏(图6)。同时，英特尔还利用具有良好编程/擦除阈值电压窗口的分立电荷存储节点，可以有效保证存储单元之间稳定的电荷隔离和完整的数据保持(图7)。

随着SLC→QLC闪存单元的位存储和电压状态的增加，它们的“读取窗口”会越来越小，从而降低读取精度。一不小心就分不清是1还是0，最终影响可靠性。与CTF电荷俘获闪存结构相比，作为英特尔3DNAND闪存主要特征的FG浮栅结构在长期使用过程中电荷损失更少，即使5年后FG结构的电荷保持度也与5年前CTF结构的初始状态相当(图8)。

未来，PLC闪存的读取窗口将进一步缩小，这将对电荷损失的控制提出更高的要求，而这正是英特尔3D NAND技术所擅长的。理性看待QLC SSD

回到英特尔最新的670P系列，这款QLC SSD定位于台式机和笔记本的日常计算、办公、内容创作和主流游戏场景。它采用标准的M.2 2280接口格式，PCIe 3.0×4通道，支持NVMe协议。其容量有512GB、1TB、2TB可选，单面设计兼容性更好。其顺序读写最高可达3.5GB/s和2.7GB/s，比上一代同样采用QLC闪存的660PSSD分别提升了94%和50%，随机读写也有了很大的提升(图9)。需要注意的是，无论是670P还是其他TLC和QLC SSD，它们标称的性能其实都来自于SLC缓存的读写。

英特尔670P系列固态硬盘的SLC缓存包括静态和动态。其中，静态SLC缓存不变，而动态SLC缓存则根据总容量和可用容量进行智能调整，相比上一代提升高达11%(图10)。具体来说，512GB版本的670P静态缓存6GB+动态缓存64GB=最多70GB1TB和2TB最多是12GB+128GB=140GB，24GB+256GB=280GB。

换句话说，Intel 670P在SLC缓存容量内的读写速度并不逊色于同价位的TLCS S D，但在写入速度较慢方面，相比TLC SSD会有断崖式的下降。因此，购买该系列或其他QLC SSD的用户千万不要把硬盘填满，每个硬盘分区都要预留15%以上的剩余空空间。在预算允许的情况下，最好选择起始容量为1TB的机型，以获得足够的SLC缓存冗余。

EVO是英特尔为第11代酷睿(移动版)开发的高端认证平台，670P SSD是该平台的推荐组件之一，这也从侧面证明了其性能和可靠性，为QLC SSD正名(图11)。

其实从闪存这10年的发展来看，SLC→MLC→TLC→QLC，虽然他们在技术层面的(相对)性能有所下降，但绝对性能却在不断提升——最新的Q LCSSD无疑可以秒杀最早的SLC SSD。时至今日，别说SLC，采用MLC闪存的固态硬盘已经很少见了，就连三星980 PRO等旗舰固态硬盘也开始叛逃到TLC。随着时间的推移，QLC取代TLC也是大概率事件。

以Intel 670P为代表的QLC SSD之所以没有被市场接受，是因为没有达到消费者的心理预期——理论上QLC的成本比TLC低，但是同容量的QLC S SD价格并没有拉开与TLC SSD的差距。价格差不多的情况下，为什么不选择更靠谱的TLC呢？