全面了解tlc閃存,TLC為什么壽命短

1、全面了解tic閃存,TLC為什么壽命短在過去的有關(guān)固態(tài)硬盤的評(píng)測(cè)中，Anand網(wǎng)站都提及固態(tài)硬盤對(duì)系統(tǒng)性能提升最為明顯。既然如此，我們?yōu)槭裁催€要使用普通硬盤呢？很明顯價(jià)格才是真正的原因。和普通硬盤相比，固態(tài)硬盤的價(jià)格還是高居不下（特別是泰國(guó)洪水之前）。因此，對(duì)很多人而言，選擇固態(tài)硬盤并不算是十分明智的選擇?；ㄙM(fèi)700美元買一塊512GB容量的固態(tài)硬盤聽起來夠瘋狂的，因?yàn)橐粔K相同容量的普通硬盤的價(jià)格50美元都不到！64GB和128GB這些小容量的固態(tài)硬盤可以分別以100美元和200美元買來，但是除了固態(tài)硬盤你最好還得再配塊普通硬盤，否則這么小容量的固態(tài)硬盤根本存貯不了多少東西。如果你的電腦是臺(tái)式

2、機(jī)，那么固態(tài)硬盤+普通硬盤的組合并不是什么大問題。但是大多數(shù)筆記本電腦卻只有容納一塊2.5英寸的硬盤（除非你選擇把光驅(qū)的也改造成硬盤。）。固態(tài)硬盤的價(jià)格已經(jīng)開始下降，但是如果按照這樣的下降速度，恐怕要想在沃爾瑪買到一塊配置一塊容量可觀的固態(tài)硬盤的399美元的電腦，您還得等上幾個(gè)年頭！大多數(shù)情況下，固態(tài)硬盤是通過NAND核心（die）縮小來實(shí)現(xiàn)成本下降的。這個(gè)過程和CPU制作工藝相同：采用更小的生產(chǎn)工藝，比如從34納米到25納米制程。在閃存生產(chǎn)過程中，這意味著你可以增加每個(gè)核心的密度。與此同時(shí)，相同的容量下核心會(huì)更小，著意味著每一塊晶圓能夠生產(chǎn)更多NAND核心?？s小核心可以有效的降低成本，但是進(jìn)

3、程更新?lián)Q代需要時(shí)間，并且這也需要價(jià)格不菲的成本。當(dāng)新制程成熟后供求平衡后，價(jià)格就開始下降了！正是由于核心縮小對(duì)于降低固態(tài)硬盤價(jià)格的影響相對(duì)緩慢，任何想把大容量固態(tài)硬盤變成主流產(chǎn)品的廠商都必須從別的方面想辦法。而三層存儲(chǔ)單元（TripleLevelCell，下文簡(jiǎn)稱TLC）閃存正是廠商們想出來降低固態(tài)硬盤成本的方法之一。16GbNAMD5rrayr!n16Gbi8GbSLCMLCTICTLC不是通過縮小核心來增加密度/容量，而是通過增加存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)數(shù)量。在我們網(wǎng)站一篇名為固態(tài)硬盤文章選集的文章里,ANAND講述了單層存儲(chǔ)單元（SLC）和多層存儲(chǔ)單元（MLC）的工作原理，其實(shí)TLC的工作原理和它

4、們幾乎相同，只不過是某些產(chǎn)品細(xì)節(jié)方面多走了一步而已。一般說來，當(dāng)有電流通過存儲(chǔ)單元并且持續(xù)增加電壓，當(dāng)達(dá)到某一數(shù)值的時(shí)候，存儲(chǔ)單元變從“關(guān)閉”的狀態(tài)變成“開”的狀態(tài)。這就是SLC閃存工作原理，沒個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一比特?cái)?shù)據(jù)。MLC閃存使用的每個(gè)存儲(chǔ)單元采用2比特?cái)?shù)據(jù)。這種情況下，存儲(chǔ)單元不是只有兩種電壓狀態(tài)（0和1）,而是有四種（00,01,10,11）。TLC則是采用了每個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)3比特?cái)?shù)據(jù)，從而有8種電壓狀態(tài)（000,001,010,011,100,101,110,and111）。我們將會(huì)在下一頁文章里詳細(xì)介紹電壓狀態(tài)以及工作原理。盡管這三種技術(shù)工作原理相同，但是有一點(diǎn)最重要的區(qū)別。讓我們

5、來看一下當(dāng)存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)量發(fā)生變化時(shí)NANDarray將會(huì)發(fā)生怎樣的變化。上面這張圖表是一個(gè)NANDarray,160億個(gè)晶體管。（每個(gè)晶體管作為一個(gè)存儲(chǔ)單元，16Gb的存儲(chǔ)量。）這個(gè)NAND陣列可以使用這三種技術(shù)。實(shí)際上晶體管數(shù)量相同，但是使用SLC技術(shù)，最終產(chǎn)品是16Gb的容量。而使用MLC技術(shù)最終產(chǎn)品容量為32Gb,使用TLC技術(shù)的產(chǎn)品容量為48Gb。除此之外，TLC還有和其他兩項(xiàng)技術(shù)不同的地方。硬盤容量一般都是2的N次方。（2,4,8,16以此類推。）但是48卻不是2的N次方。為了能夠找到一個(gè)是2的N次方的數(shù)值，最初的NAND陣列的容量也必須縮小。在我們的這個(gè)例子里，32Gb容量的三層存

6、儲(chǔ)單元固態(tài)硬盤的NAND陣列必須為10.67Gb。但是由于采用TLC的核心和MLC核心容量一樣，每片核心的容量不變。但是實(shí)際的核心體積要更小，原因就是最初的16Gb的NAND陣列已經(jīng)被縮減到10.7Gb,這就意味著每片晶圓可以容納更多的核心，因此降低了成本。TLC理論上的價(jià)格優(yōu)勢(shì)雖然不比SLC對(duì)MLC的價(jià)格優(yōu)勢(shì)那么明顯，但是仍舊是不小的比例，大約是30%的成本降低。與采用SLC技術(shù)的固態(tài)硬盤相比，MLC固態(tài)硬盤的容量是其兩倍。但是采用TLC技術(shù)的固態(tài)硬盤的容量?jī)H僅比采用MLC技術(shù)的硬盤容量多50%。因此采用TLC技術(shù)的硬盤和采用MLC技術(shù)的硬盤的價(jià)格也是成比例的。TLC核心比MLC核心小33%

7、，而OCZ提供的產(chǎn)品價(jià)格上來看,TCL產(chǎn)品的價(jià)格也要比MLC產(chǎn)品的價(jià)格便宜33%。理論上，SLC產(chǎn)品價(jià)格算下來應(yīng)該是1.8美元/GB,但是由于采用2x納米制程的SLC核心數(shù)量有限，價(jià)格仍然要比MLC和TLC閃存高出不少。綜上所述，這三種產(chǎn)品的關(guān)系更加不明朗了。TLCNAND閃存的價(jià)格并不比MLCNAND閃存的價(jià)格便宜到哪去，這也許能夠解釋為什么在消費(fèi)者固態(tài)硬盤市場(chǎng)采用這種技術(shù)的廠商并不多見。同時(shí)，缺少主控芯片的支持以及市場(chǎng)前景并不被看好，也是TLC閃存價(jià)格偏高的一個(gè)直接原因。TLC的軟肋：比MLC還要差完美的理論世界里，增加存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)量聽起來是增加硬盤容量從而降低生產(chǎn)成本的最容易的方案。那

8、么，為什么不直接讓沒個(gè)存儲(chǔ)單元能容納1000比特的數(shù)據(jù)量呢？很遺憾的是，存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)是有很多缺陷的。從根本上將，與SLC閃存相比，TLC存在著和MLC閃存一樣的問題，而且是比MLC的問題更為嚴(yán)重。TLC要檢測(cè)到8個(gè)電壓狀態(tài)，隨即讀取速度將會(huì)更耗時(shí)：TLC閃存將耗時(shí)100sSLC閃存隨機(jī)讀取僅用其四分之一的時(shí)間。而MLC閃存也只用其一半的時(shí)間就完成了任務(wù)。編程時(shí)間也不占優(yōu)勢(shì)，可惜的是，目前我們尚未有關(guān)TLC閃存編程時(shí)間的數(shù)據(jù)。除了性能表現(xiàn)處于劣勢(shì)之外，TLC閃存耐用性也很差。我們目前尚不清楚TLC閃存的準(zhǔn)確的寫入/擦除次數(shù)，但是我們估計(jì)的數(shù)值應(yīng)該在1000次左右。海力士發(fā)布了48納米T

9、CL閃存的產(chǎn)品手冊(cè)，寫入/擦除次數(shù)是2500次。對(duì)于MLC閃存而言，采用3X納米制程之后，寫入擦除次數(shù)也縮小至原來次數(shù)的一半。而采用2X納米制程的閃存寫入擦除次數(shù)就會(huì)變的更少了，按照我們這樣的計(jì)算方法，采般X納米制程TLC閃存的寫入/擦除次數(shù)僅為750次左右了。而之前，X-blitLabs網(wǎng)站報(bào)道TLC閃存寫入/擦除次數(shù)為1000次，聽起來是很靠譜的。但是有一點(diǎn)值得注意，閃存的耐用性隨著廠商以及生產(chǎn)工藝的成熟與否等因素的不同也會(huì)產(chǎn)生不同的數(shù)值。例如：第一款25納米NAND閃存的寫入/擦除次數(shù)僅為1000次左右，而如今主流廠商的寫入/擦除次數(shù)都能達(dá)到3000次左右了。但是為什么采用更大容量的NA

10、ND閃存的耐用性就更差呢？原因和硅的物理屬性有關(guān)。想明白真正原因，我們需要重新看一下我們鐘愛的N-channelMOSFET。（N型金氧半場(chǎng)效應(yīng)晶體管）CONTROLGATESOURCE;DRAINfloatinggate當(dāng)你要寫入數(shù)據(jù)，需要在控制柵極施加電壓，而源極和漏極的電壓都為0V。電壓形成一個(gè)電場(chǎng)，這樣電子就可以通過二氧化硅這層絕緣體從N通道進(jìn)入到浮點(diǎn)柵極。這個(gè)過程通常也被成為隧穿“二氧化硅起到絕緣層的作用，在電場(chǎng)沒有形成之前，電子是無法逃離或者進(jìn)入浮點(diǎn)柵極的。想要?jiǎng)h除存儲(chǔ)單元，需要在P型半導(dǎo)體施加電壓并且保持控制柵極的電壓為0。電場(chǎng)形成后電子就可以通過二氧化硅層。這就是NAND閃存在

11、重新寫入新數(shù)據(jù)之前必須要?jiǎng)h除原來數(shù)據(jù)的原因：你必須要先把原來的電子釋放掉，然后才能重新進(jìn)入電子。但是這又和SLC,MLC已經(jīng)TLC有什么關(guān)系呢？實(shí)際的MOSFET在這三種技術(shù)中都是相同的。但是請(qǐng)看一下這張表格。SLC0HighvoltageIFrjlowVottageWHighVoltage-MLCTVMed-Hignvoltage*1OhMea-L.owVoltagelp11*LowVoltage(xxrHighestVollage,rcorHignVoltagelhO1OMed4ijghVoltage1LC鬥(XTHigh-MediumVottsgeth*Lt?-MediumVoltage

12、irlO1|hMed-LwVoltageLowVoKageM1Lowestvoltage電壓SLC只需要兩種狀態(tài)，0和1。但是隨著閃存單元容量的增加，你就需要更多的電壓狀態(tài)。MLC需要四種狀態(tài)，而TLC需要八種狀態(tài)。問題是二氧化硅絕緣層的厚度只有10納米的厚度，它并不是永不磨損的金剛之軀。在每一次的”隧穿“之后，它都會(huì)有磨損。當(dāng)二氧化硅最終破損后，原子鍵破裂。在”隧穿“過程中，電子可能會(huì)滯留在二氧化硅絕緣層，這就讓這層的負(fù)電荷不斷增加，使得控制柵極的電壓受到影響。首先，擦除數(shù)據(jù)變慢，這是因?yàn)橐胧┘虞^高電壓需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能得以實(shí)現(xiàn)（電壓不斷增高的過程，知道合適的電壓峰值被發(fā)現(xiàn)才算完成。）并且

13、高電壓會(huì)對(duì)氧化物造成更大的壓力，從而使得氧化物更容易被擊穿。擦除數(shù)據(jù)非常耗時(shí)，而為了能夠保持性能，必須要借助固態(tài)硬盤整個(gè)block停止工作來實(shí)現(xiàn)。但是，這是有副作用的。寫入數(shù)據(jù)就要相對(duì)快的多，因?yàn)橛捎陔娮酉萋浯鎯?chǔ)單元內(nèi)已經(jīng)存在了一些電壓了!這就能夠看出SLC，MLC和TLC的差別了。每個(gè)存儲(chǔ)單元包含數(shù)據(jù)的比特越少，單元內(nèi)的電壓空間就越大。換句話說，SLC能夠容忍更多的電壓狀態(tài)的變化，因?yàn)樗旧碇挥袃煞N電壓狀態(tài)。但是在TLC閃存中，存儲(chǔ)單元中有八種電壓狀態(tài)，這樣硬盤的容錯(cuò)能力就十分有限了。讓我假設(shè)一下，一塊SLCNAND閃存可以承受0V-14V的電壓，而要想寫入數(shù)據(jù)（寫入1）,電壓的臨界峰值要達(dá)

14、到4V-5V之間。同理，電壓需要達(dá)到9V-10V來實(shí)現(xiàn)（寫入0）。在上述的情形中，兩種電壓狀態(tài)之間存在4V的空間。而同樣的情形，在MLCNAND閃存中，狀態(tài)之間的電壓空間僅為2V。而TLC閃存的電壓空間僅剩0.67V了。當(dāng)氧化層被擊穿后，要想進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入就需要更高的電壓oSLC閃存只需要4V-6V的電壓就能寫入0。這僅僅意味著電壓空間只是縮小了1V而已。這正是問題所在，SLC閃存擁有更大的電壓空間，因此它能夠容忍跟高的電壓峰值變化，直到整個(gè)Block因?yàn)椴脸龜?shù)據(jù)過慢而停止工作。這就是SLC閃存擁有更高擦寫次數(shù)的原因。用戶可以刪除或者寫入數(shù)據(jù)的次數(shù)要更長(zhǎng)。而TLC的電壓容忍率最低，因此TLC閃存

15、的擦寫次數(shù)自然最低。市場(chǎng)狀況和主控芯片支持讓我們把情況說明白,TLC閃存一點(diǎn)都不算新鮮事物.海力士在2008年就生產(chǎn)出了采用48納米制程容量為32Gb的TLC閃存核心。這些TLC閃存最初打算使用在優(yōu)盤產(chǎn)品中，這樣閃存的耐用性能在優(yōu)盤中還算可以接受。絕大多數(shù)固態(tài)硬盤廠商在過去一年里都在準(zhǔn)備生產(chǎn)TLC固態(tài)硬盤，但是目前為止我們尚未看到任何上市的產(chǎn)品。OCZ本打算在今年第一季度推出基于TLC閃存的固態(tài)硬盤，但是TLC閃存的價(jià)格并沒有多大的競(jìng)爭(zhēng)力。除非OZC能夠在2比特MLC閃存中大幅降低成本，否則推出低性能的TLC固態(tài)硬盤并沒有實(shí)際意義。但是仍然有很多因素可以促使廠商選擇TLCNAND閃存，這樣會(huì)進(jìn)

16、一步降低成本，這樣的產(chǎn)品尤其在面向使用頻率不太頻繁，尤其是是讀寫工作里較大的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品中還是會(huì)有市場(chǎng)的。英特爾意在推出低價(jià)的配置固態(tài)硬盤的超級(jí)本，而蘋果則是準(zhǔn)備把主流Mac電腦的存儲(chǔ)標(biāo)配定為固態(tài)硬盤，這兩個(gè)大廠家的幕后推動(dòng)無疑是各大廠商的最大動(dòng)力oMLCNAND閃存的價(jià)格最終能夠會(huì)落到這個(gè)區(qū)間并且滿足所有需求，但是毫無疑問，TLC閃存會(huì)加速這個(gè)進(jìn)程。TLC不需要主控和固件的支持。在消費(fèi)級(jí)固態(tài)硬盤市場(chǎng)，只有OCZ很積極的宣布了其旗下的IndilinxEverest主控將會(huì)支持3比特?cái)?shù)據(jù)的NAND閃存。對(duì)增加了一位數(shù)據(jù)量的存儲(chǔ)單元，想設(shè)計(jì)主控芯片支持不像是更新產(chǎn)品目錄表一樣簡(jiǎn)單，也不是想當(dāng)然的就能

17、工作。因?yàn)橹骺匦酒谑褂肨LC閃存的時(shí)候?qū)?huì)產(chǎn)生更頻繁更嚴(yán)重的錯(cuò)誤，糾錯(cuò)引擎（ECCengine）也要做相應(yīng)的更新。100,000-80,000-60,00040,000-20,000-100.00010,0004-faitECC3,003ECCRequ：trement1.000SLC&xnmULC3xnrMLC2）（nrtiMLC3-bitptrGflHSaiirciUicrcri.WesternDigital.MorganStanResearch樓用周期禾翩錨功能比較表：扳示NAND閃存生產(chǎn)工藝）盡管糾錯(cuò)功能不斷提升，但霍對(duì)存儲(chǔ)單元耐用性畀呃不大*使用周期和糾錯(cuò)功能比較表：（標(biāo)示NAND閃存生產(chǎn)工藝）盡管糾錯(cuò)功能不斷提升，但是對(duì)存儲(chǔ)單元耐用性影響不大。對(duì)于TLCNAND閃存而言，要盡量降低讀寫次數(shù)至關(guān)重要。由于本身的擦寫次數(shù)有限，頻繁的大量寫入數(shù)據(jù)是TLC閃存不能承受的。對(duì)于大多數(shù)MLC固態(tài)硬盤而言，NAND閃存的耐用性并不是什么問題,但是對(duì)于TLC固態(tài)硬盤而言，耐用性卻是其致命的軟肋?？偨Y(jié):我們最后的總結(jié)有點(diǎn)復(fù)雜。一方面，消費(fèi)者想要購(gòu)買價(jià)格實(shí)惠的固態(tài)硬盤，畢竟與普通硬盤相比，固態(tài)硬盤的性能優(yōu)