SLC、MLC、TLC、QLC和PLC：最详细的对比

SLC、MLC、TLC、QLC和PLC：最详细的对比

NAND Flash存储技术是现代电子设备中不可或缺的一部分，广泛应用于SSD、闪存驱动器、智能手机、数码相机、平板电脑、存储卡等各种设备中。本文将深入探讨NAND Flash存储技术中不同类型的存储单元（SLC、MLC、TLC、QLC和PLC）的工作原理、性能特点和应用场景。

NAND Flash存储单元的工作原理

在NAND Flash存储单元中，数以百万计的浮栅MOSFET晶体管被组合成电路。由于浮栅晶体管即使在没有电源的情况下也能在其浮栅中保持电荷，因此它是NAND Flash的基本构建模块。SSD中使用的3D NAND则采用电荷捕获闪存进行数据存储。

这些单元随后被组合成更大的组，即串、页和块。最小的可读写单元成为页，而块则成为最小的可擦除单元。

我们刚刚讨论了最简单的NAND Flash类型，即SLC NAND Flash。制造商随后对它进行了定制，使其每个单元存储多个位，从而在相同大小的NAND芯片中增加存储空间并降低成本。

SLC NAND Flash一直是普通消费者的梦想，因为数据中心和企业客户是唯一能够负担得起这种昂贵类型的Flash的用户。要理解NAND Flash存储器的工作原理，我们必须了解浮栅晶体管的工作原理。但在讨论浮栅晶体管之前，我们先了解一下普通晶体管。

普通晶体管（作为开关）

普通晶体管在电子电路中有两个主要应用：开关和放大。想象一下，有一个管道从一端到另一端传输水，而这个流动由一个阀门控制。这就是如何理解晶体管的工作原理。这是一个普通NPN晶体管的符号。还有另一种称为PNP晶体管。这两种晶体管的功能相同，但电压电位（负和正）不同。

晶体管的工作原理

在栅极施加门限电压时，可以在集电极施加输入电流或电压，并在发射极获得输出。对于NPN晶体管，栅极电压将是正的，而对于PNP晶体管则是负的。我们不会过多地探讨晶体管的形成，但只需理解其基本工作原理。栅极充当开关。如果查看这个简化的图，栅极电压作为开关来使电流流动，并在输出处增加主输入电压。

晶体管最重要的特性是在其阈值电压水平上被打开。

这就是普通晶体管的所有内容。它需要在栅极和源极处供电才能在集电极获得输出。没有其他额外功能。

浮栅晶体管的工作原理（NAND Flash单元）

浮栅晶体管与普通晶体管相同，但具有额外的浮栅和控制栅层。此外，浮栅周围还有两层绝缘层，用于保持电荷。

每个单元都连接到三个公共线：字线（栅极）、位线（漏极）和源线（源极）。一个没有电荷的空单元表示比特值（1），而浮栅中有电荷的单元表示（0）。

如果我们想存储这个比特序列（1, 0, 1, 1, 0, 1），我们需要按照这种方式对单元进行编程。SSD不会直接在单元上写入数据。控制器首先清除NAND Flash的一个块（通常为64KB或2MB），然后准备写入。

一旦块被清除，在适当的单元系列中，将写入这些数据。清除后，所有单元都将没有电荷，因此设置为1。因此，控制器将保持第一个单元不变。

为了将第二个单元编程为“0”，它会选择该晶体管的公共字线（栅极）。将施加一个非常高的电压到控制栅极。这个高电压将在栅极层之间产生一个非常强的电场。电场中的一些电子将从隧道氧化物跳到浮栅。由于浮栅是绝缘的，被捕获的电荷将保持在那里。编程后，控制器还会检查阈值电压以确认单元是否正确编程。

存储在浮栅中的比特的解释

当控制器需要读取这个单元时，将应用相同的过程，但它将仅检查阈值电压以解释电荷的存在或不存在，即0或1。

在普通晶体管中，我们讨论了栅极需要一个阈值电压才能打开晶体管。在这种情况下，这个阈值电压将根据浮栅中是否存储电荷而变化。对于SLC，电荷的存在和不存在将被视为比特值1或0。在多比特单元的情况下，这个阈值可以有多个级别来表示不同的比特值。

SLC（单级单元）中的数据存储

我们讨论的所有关于浮栅晶体管及其机制都是针对单级单元的。SLC是NAND Flash存储器中最简单的类型，具有简单的电路和控制器编程。

从SLC SSD中数百万个单元中取出一个。如果你检查其浮栅，它要么有电荷，要么没有。就是这样。这个单个单元的状态将决定系统将其读取为0还是1。

如果浮栅中有接近100%的电荷，它将被视为0，而一个接近空的单元将表示比特值1。

当我们组合这些单元时，我们可以很容易地对它们进行编程并存储二进制值，这些二进制值可以转换为十六进制代码，然后转换为计算机可以理解的其他代码。存储数据时，这个过程将反向进行。代码将转换为比特值并依次存储在这些单元中。SSD或存储控制器将跟踪Flash转换层中的所有数据位置。

MLC（多级单元）中的数据存储

在MLC中，一个单元用于存储两个二进制位。现在，因为两个二进制位有4种不同的唯一组合，一个多级单元被编程为存储4个不同的电压级别。

通常，一个几乎充满100%电荷的单元将表示比特值“10”，而一个空单元将表示比特值“11”。它们之间是“01”和“00”比特值。为了存储这些值，控制器只需将适量的电荷推入单元。为了读取该单元，只需检查阈值电压的差异。

这些计算和电压/电流传感器都内置在控制器中，它们将按照设计执行其工作。但基本思想是利用浮栅晶体管保持不同电荷量的能力，然后在需要时感测这些电荷。

这听起来很好，因为我们现在能够在单个单元中存储11，而不是使用两个不同的单元分别存储1和1。存储密度增加了100%。但这都伴随着性能降低、可靠性降低和延迟增加的代价。

看，如果我们必须在一个单元中读写不同的电压级别，电路肯定会变得更加复杂。控制器需要更长的时间来读写数据，因为需要额外的时间来检查和创建不同的电压级别。此外，数据保留时间也会减少，因为电压级别的差异减小。这也导致更高的错误率，原因相同。功耗也会增加。

NAND Flash单元带有有限的编程/擦除周期，当我们开始使用单个单元进行多次操作时，这些周期会被放大。你可以在这里阅读更多关于P/E周期的信息。

就像SLC一样，MLC驱动器在很大程度上已从消费市场淘汰。你主要会在企业驱动器和服务器环境中找到MLC驱动器。MLC驱动器确实有点贵，但它们的耐久性和性能与即将推出的Flash类型相比是最好的。

TLC（三级单元）中的数据存储

TLC Flash将在一个单元中存储8个不同的电压级别。这将存储密度从MLC提高了50%，从SLC提高了300%。现在，一个单元可以存储三个比特，从“000”到“111”。由于这些数字之间的可能唯一值增加到8，需要更多的精细电压级别，容错空间更小，但错误机会更大。

另一个区别是，在TLC中，空单元表示000，而满单元表示111。这是为了减少重叠的风险，特别是在单元老化时。现在，由于容错空间更小，算法必须更努力地工作。

因此，TLC与MLC相比变得更加复杂。数据保留能力和读写性能将降低，因为控制器必须执行更多操作才能完成读写。然而，公司可以很容易地在相同大小的NAND Flash芯片中放入更多存储容量。这为更高的利润打开了空间，但耐久性和性能较低。

现在，如果我们组合多个TLC单元并使用它们进行存储，我们可能能够在更少的单元中容纳更多比特，但计算时间和确保准确性所需的时间肯定会更高。这将导致性能降低、延迟增加、产生更多热量以及更高的错误机会。另一方面，我们获得了更便宜的存储驱动器和更高的存储密度。驱动器现在必须更多地依赖算法来防止磨损、错误和数据丢失。

TLC是消费市场中最常见的NAND Flash。它提供了性能和价格之间的良好平衡。所以，当你在TLC和QLC之间选择时，最好选择TLC。

QLC（四级单元）中的数据存储

在QLC NAND Flash中，一个单元用于存储4位。这将密度与TLC NAND相比提高了33.3%，与SLC相比提高了400%。现在可以存储一系列四个比特，因此现在有16个可能的电压级别。错误的机会和复杂性大大增加。然而，存储密度已经大大提高。这允许制造商提供非常便宜的存储驱动器，但需要牺牲性能和可靠性。

因为一个单元将被使用得更多，所以它将具有更少的P/E周期（将在下面讨论）。电压重叠的风险也会增加，同时对更复杂的电路的需求也增加了。算法必须更努力地工作，以确保数据保留而没有错误。

对于读写数据，需要更复杂的编程。此外，即使在正常负载下，热量产生也会非常高。

在SLC中存储仅一个比特信息的相同单元现在在QLC中存储4比特数据。使用仅两个单元，我们可以存储一个字节的数据。然而，数据保留时间减少了，磨损程度增加了。ECC必须更努力地工作以防止数据损坏。

PLC（五级单元）中的数据存储

Penta-Level单元正在开发中，但它们很快就会进入市场。使用这项技术，与SLC相比，存储密度将提高500%，与QLC相比提高25%。单个单元将有32个不同的电压级别，结果是很多错误。为了在市场上运作，制造商将不得不采用先进的错误校正码、磨损均衡、温度控制和其他许多东西。

SLC、MLC、TLC、QLC和PLC NAND Flash单元的详细比较

消费级存储市场的现状

TLC已经占据了大部分消费级SSD市场。即使在智能手机和其他便携式存储设备中，你也会主要发现TLC NAND Flash。然而，每当看到存储设备具有廉价存储时，它肯定将是QLC。

大多数时候，你会在相同价格点找到带有TLC NAND Flash和QLC NAND Flash的驱动器。在这种情况下，TLC驱动器肯定会缺少一些重要功能，主要是DRAM和加密。如果没有DRAM，你可能会在生产任务中体验到一些性能下降，系统响应速度也会降低。

QLC驱动器通常比TLC驱动器具有更少的TBW。你也可以在同一价格点获得更多的QLC存储容量，但仍然，如果你想让驱动器更持久，你应该选择TLC。如果你的工作包括驱动器的大量使用，特别是对于重要数据，你绝对应该选择TLC驱动器。

结论

SLC、MLC、TLC、QLC和PLC只是在固态存储设备中使用相同物理空间增加存储密度的方法。这些设备可以是智能手机、闪存卡、SSD或U盘。

基本原理保持不变。芯片内部使用数十亿个浮栅MOSFET，设计复杂的控制器来访问和写入它们。后台运行着大量的软件，从与操作系统交互到跟踪所有数据。

然而，使用单个单元存储多个比特的方法现在达到了饱和点，因为离散电压的空间越来越小。然而，Penta-Level Cell NAND Flash仍然让我非常兴奋。让我们看看它将如何发展。