漫谈QLC其二：扛起NAND家族重任，老四QLC

2005年Apple iPod第一次使用了NAND介质来取代HDD作为存储设备，彼时的NAND还是SLC介质，开启了NAND作为电子产品主要存储介质序幕的开端。

2006年，第一款某牌SLC SSD正式零售；不到两年，由于MLC本身稳定性足够好，2008年就有了某牌MLC与SLC SSD并行发售；2012年，首款TLC SSD面世（彼时还是2D NAND），2015年TLC颗粒在争议中成长，日渐成熟，成为SSD厂商眼中最佳解决方案的存储颗粒，SSD NAND介质从MLC到TLC，用了5到7年；2016年，首批QLC SSD面世（3D NAND）；

2022年，PLC demo样品在FMS峰会上首现，某大厂开始谈论HLC NAND，包括使用了液氮冷却操作条件，但这些都还只是在实验室阶段。

今天，TLC依然为SSD/嵌入式存储中的主力NAND颗粒，但QLC开始登上舞台，发起挑战，和2016年那时的自己相比，QLC实力大增。NAND家族，从老大SLC开始，到老二MLC和老三TLC，再到今天的老四QLC NAND，发挥自身优势，克服自身不足，一代代传承下来，扛起家族事业的重任。

NAND发展史及扩容方法

自1987年NAND被发明以来，无论是2D还是3D时代，推动NAND技术发展的核心推动力是提升性能、提高寿命、提升可靠性、增加存储密度及降低每GB成本。而实现增加存储密度及降低每GB成本，靠的是NAND的扩容，主要的手段如下图：

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Logical Scaling：逻辑扩展是用NAND比特位扩展来提升存储密度的方法，如SLC->PLC。

Vertical Scaling：意思是在Z方向上增加3D NAND层数。Vertical Scaling是3D NAND当前增加存储密度最重要的方法，但层数越高，设计和生产的挑战也越大。

Lateral Scaling：3D NAND在2D平面空间XY如何微缩以达到增加存储密度的方法。

Architecture Scaling：CMOS和Array如何进行架构设计，如CUA、CBA等架构。

本文我们主要看看逻辑扩展方法，NAND Cell单元从可以存储1个比特到2个、3个、4个比特，相当于容量从1X提升到2X、3X、4X，是一种不需要改变NAND Die的物理设计而达到容量倍增的好方法。当前，4X存储容量的QLD NAND已商用量产多年，基本成熟和稳定。

NAND容量大幅增长，不仅可以给用户带来购买每GB成本的快速下降，而且也为大容量应用例如SSD提供了一个绝佳方法。因此，SSD容量从2007年32GB的小可爱，到如今消费级SSD可以提供高达8T容量，企业级甚至可以提供高达256TB容量的巨兽。

当然，从SLC到QLC的转变，NAND牺牲了性能、寿命及某些条件下可靠性等NAND指标，发现问题解决问题，随着NAND设计和制造工艺的提升，配合系统层面控制器和固件纠错能力、算法的提升，基本上已经让QLC NAND变得可用和好用。

NAND家的几兄弟

从量产和出生时间来看，NAND家有四兄弟，老大SLC老二MLC老三TLC和老四QLC，各个兄弟在不同时间出生，脾性不同（如下图），在不同时期轮番上阵，为家族事业奋斗拼搏，发挥各自能力，扛起了家族重任。

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SLC NAND（高性能、高寿命、容量低、价格最贵）

作为家中长子，老大SLC NAND的每个单元存储一位比特，0或1，写入和读取数据都很快，性能最佳，提供高达10万个P/E周期，寿命最高，但密度最低，老大SLC闪存每GB价格最贵。作为家中长子，老大SLC曾经是家族中唯一之选。如今性能和寿命最强的SLC在对写和耐久度要求很高的行业得以应用。目前老大已交棒，原生SLC NAND在原厂中产能分配极低，但各家原厂开放TLC和QLC颗粒接口，让用户可以将其配置成pSLC模式使用，享受SLC颗粒类似的性能和寿命。

MLC NAND（较高性能、较高寿命、容量低、较高价格）

老二MLC NAND每个单元存储二位比特，数据密度是SLC的2倍，提供高达10000 P/E周期，寿命是SLC的1/10。凭借较高性能和较高寿命，老二MLC在服务器、工规级应用较多。

TLC NAND（性能、寿命、容量和价格，最优平衡的颗粒）

老三TLC NAND每个单元存储3个比特，P/E周期降至MLC的1/3。老三TLC较老二MLC在数据密度上提升了50%，因此价格变得比MLC要便宜。凭借“足够用”的寿命和性能，目前在消费级SSD、eMMC、UFS等产品中，采用TLC是最优平衡的存储方案，性能、寿命、价格、容量等多个方面达到了较好的平衡。

QLC NAND（性能、寿命、容量和价格，极致性价比的颗粒）

老四QLC NAND每个单元存储4个比特，性能和耐久性比TLC要低。在QLC推出初期寿命为弱项，但随着技术的提升目前寿命已经接近主流TLC的水平。老四QLC较老三TLC在数据密度上提升了33%，因此价格更便宜。老四QLC自2015年出生，曾被消费者诟病问题有性能低、寿命低和可靠性较差，比较有争议。到目前NAND闪存行业已迭代三到四代QLC NAND颗粒，寿命、性能和可靠性三个维度都做了全面的提升，老四在长大，问题孩子变得优秀，在各项考试中取得接近TLC的成绩，比如SSD跑分，凭借极致性价比优势开始登上舞台。

老四挑大梁

比起前三位大哥，老四QLC单元空间内的存储容量最高，价格最低。性能和寿命的不足却可以通过相应系统方案（比如SLC cache write）来弥补，未来有取代TLC成为消费类产品的首选存储颗粒。

技术上，以致态Ti600 SSD为例，我们看下老四QLC的潜力：

性能，消费级QLC SSD会启用SLC cache来Burst用户的读写性能，基本可以做到PCIe 3.0和PCIe 4.0前端最高性能，基本同TLC SSD读写性能。

寿命，消费级QLC NAND按1T容量SSD生命周期内总写入数据量TBW在400TB左右，完全满足PC OEM和零售渠道类市场对SSD TBW的要求。

在性能、寿命和可靠性完全“够用”的情况下，当年老三TLC取代老大SLC和老二MLC走过的路，未来几年老四QLC会重演，老四QLC凭借自身实力和不断进步的系统解决方案的配合，将扛起NAND家族的重任。