SSD存储技术详解：从SLC到3D NAND的发展历程

SSD存储技术详解：从SLC到3D NAND的发展历程

随着固态硬盘（SSD）的普及，了解其存储原理和技术细节变得越来越重要。本文将为您详细介绍SSD中常见的存储单元类型，包括SLC、MLC、TLC、QLC以及最新的3D NAND技术，帮助您更好地理解这些技术术语背后的意义。

NAND Flash发展史

硬盘作为电脑存储的主要设备，分为机械硬盘和固态硬盘两大类。目前，固态硬盘SSD由于工艺的提升和价格的降低，因为其高性能，已经逐步成为用户硬盘的首选方案。

用户在了解SSD相关技术的时候，经常遇到SLC、MLC、TLC、QLC等术语。

要介绍这些术语，需要先了解SSD存储的原理。与机械硬盘的原理不同，固态硬盘采用闪存（NAND Flash）芯片存储数据，这种闪存芯片也是优盘和手机存储所使用的数据存储设备。

SSD闪存的基本存储单位是浮栅晶体管（Floating Gate Metal-Oxide-Semiconductor，简称FGMOS），通过对晶体管进行充电和放电操作来进行数据擦除及写入，每个晶体管能充放电的次数是有限的，因此使用P/E值作为SSD寿命的重要衡量指标，P/E的全称是Program/Erase（写入/擦除），一般称为“擦写次数”。

当然，基于计算机的基本原理，SSD中存储的数据都是0和1形式的二进制数据，在SSD中进行存储的基本单位是单元（Cell）。

最早SSD的一个Cell单元只能存储1bit信息，也就是只有0、1两种电压变化，可用来存储一位的二进制数据。这种方式结构简单，电压控制也快速，特点是寿命长，性能强，P/E擦写次数在9万到10万次之间，但缺点是容量低、成本高，毕竟一个Cell单元只能存储1bit信息。这种方式被称为Single-Level Cell（单层单元），简写为SLC。

存储设备是容量为王的领域，容量大小是用户选购的首选，为了提高SSD的容量，技术人员改进SLC技术，变为一个Cell单元可以存储2 bit信息。这需要有更复杂的电压控制，有00,01,10,11四种变化。这种技术提高了存储容量、降低了生产成本，但造成的弊端是写入性能、可靠性降低，PE擦写次数根据制程不同降为8000-10000次不等。这种技术被称为Multi-Level Cell（多层单元，简称MLC）。

依此类推，人们又发明了每单元存储3bit的Trinary-Level Cell（三层单元，简称TLC）技术，生产成本更低，价格更便宜，但性能更差、寿命更短，P/E擦写次数约500-1000次。

每单元存储4bit的Quad-Level Cell（四层单元，简称QLC），电压有16种变化，当然生产成本更低，容量可达到10~100TB数量级，在人们关心的寿命方面，前期预测QLC的P/E擦写次数仅有100-150次，担心QLC不耐用。但后来业界厂商表示3D QLC闪存能经受1000次擦写，比预测寿命多了十倍。

以上介绍的NAND闪存一直基于二维平面的NAND技术，也称为2D NAND闪存，在二维平面上对晶体管进行微缩，提高存储密度，以获得更大容量，但这种技术已接近达到极限。

NAND Flash进入232层时代

为了在维持性能的同时实现容量提升，科研人员研制了新的3D NAND技术，目前已经成为闪存的主流技术。

在3D NAND中，每单元仍然可以存储多个bit，可分为SLC、MLC、TLC、QLC几种类型，也称为3D-SLC、3D-MLC等。

在美光推出232层NAND之后，三星电子、西数、铠侠等原厂也在积极推进闪存层数迭代。大数据、云计算等技术发展，持续提升NAND Flash需求，同时也不断推动着NAND技术的升级和迭代。