Зрозумійте різницю між різними типами мікросхем SSD NAND Flash SLC, MLC, TLC, QLC

Повна назва NAND Flash - Flash Memory, що відноситься до пристроїв енергонезалежної пам'яті (Non-volatile Memory Device).Він заснований на конструкції транзистора з плаваючим затвором, і заряди фіксуються через плаваючий затвор.Оскільки плаваючий затвор електрично ізольований, тому електрони, що досягають затвора, затримуються навіть після зняття напруги.Це обґрунтування енергонезалежності спалаху.Дані зберігаються в таких пристроях і не будуть втрачені навіть при відключенні живлення.
Відповідно до різних нанотехнологій, NAND Flash пережила перехід від SLC до MLC, а потім до TLC, і рухається до QLC.NAND Flash широко використовується в eMMC/eMCP, U-дисках, SSD, автомобілях, Інтернеті речей та інших сферах завдяки великій ємності та високій швидкості запису.

SLC (англ. повна назва (Single-Level Cell – SLC) – однорівневе сховище
Особливістю технології SLC є те, що оксидна плівка між плаваючим затвором і джерелом тонша.Під час запису даних накопичений заряд можна усунути шляхом подачі напруги на заряд плаваючого затвора, а потім через джерело., тобто лише дві зміни напруги 0 і 1 можуть зберігати 1 одиницю інформації, тобто 1 біт/комірку, яка характеризується високою швидкістю, тривалим терміном служби та високою продуктивністю.Недоліком є ​​низька потужність і висока вартість.

MLC (англ. повна назва Multi-Level Cell – MLC) – це багатошарове сховище
Intel (Intel) вперше успішно розробила MLC у вересні 1997 року. Його функція полягає в тому, щоб зберігати дві одиниці інформації у плаваючому затворі (частині, де зберігається заряд у комірці флеш-пам’яті), а потім використовувати заряд різних потенціалів (рівень ), Точне читання та запис через контроль напруги, що зберігається в пам'яті.
Тобто, 2 біт/комірка, кожна одиниця комірки зберігає 2 біти інформації, вимагає більш складного контролю напруги, є чотири зміни 00, 01, 10, 11, швидкість загалом середня, термін служби середній, ціна середня, приблизно 3000—10000 разів стирання та запису. MLC працює, використовуючи велику кількість класів напруги, кожна комірка зберігає два біти даних, а щільність даних є відносно великою та може зберігати більше 4 значень одночасно.Таким чином, архітектура MLC може мати кращу щільність зберігання.

TLC (англ. повна назва Trinary-Level Cell) — трирівневе сховище
TLC становить 3 біти на комірку.Кожна комірка зберігає 3-бітну інформацію, яка може зберігати на 1/2 більше даних, ніж MLC.Є 8 типів зміни напруги від 000 до 001, тобто 3 біт/елемент.Існують також виробники Flash під назвою 8LC.Необхідний час доступу довший, тому швидкість передачі нижча.
Перевага TLC полягає в тому, що ціна низька, вартість виробництва за мегабайт є найнижчою, і ціна низька, але термін служби короткий, лише близько 1000-3000 стирань і перезаписів. нормально використовувати більше 5 років.

Чотиришаровий накопичувач QLC (англ. повна назва Quadruple-Level Cell).
QLC також можна назвати 4-бітним MLC, чотиришаровим накопичувачем, тобто 4 біти/комірку.Є 16 змін напруги, але ємність можна збільшити на 33%, тобто продуктивність запису та термін служби стирання буде ще меншим порівняно з TLC.У конкретному тесті продуктивності Magnesium проводив експерименти.Що стосується швидкості читання, обидва інтерфейси SATA можуть досягати 540 МБ/с.QLC працює гірше у швидкості запису, оскільки час програмування P/E довший, ніж у MLC і TLC, швидкість нижча, а швидкість безперервного запису становить від 520 МБ/с до 360 МБ/с, випадкова продуктивність впала з 9500 IOPS до 5000 IOPS, втрата майже половини.

PS: чим більше даних зберігається в кожній клітинці, тим вище ємність на одиницю площі, але в той же час це призводить до збільшення різних станів напруги, що важче контролювати, тому стабільність чіпа NAND Flash стає гірше, а термін служби стає коротшим, кожен має свої переваги та недоліки.

(Термін служби NAND Flash для читання та запису наведено лише для довідки)
Неважко помітити, що продуктивність чотирьох типів флеш-пам'яті NAND відрізняється.Вартість одиниці ємності SLC вища, ніж у інших типів частинок флеш-пам’яті NAND, але час збереження даних у них довший, а швидкість читання вища;QLC має більшу ємність і нижчу вартість, але через низьку надійність і довговічність Недоліки та інші недоліки все ще потребують подальшого розвитку.

З точки зору вартості виробництва, швидкості читання та запису та терміну служби рейтинг чотирьох категорій є таким:
SLC>MLC>TLC>QLC;
Поточні основні рішення MLC і TLC.SLC в основному призначений для військових і корпоративних додатків із високою швидкістю запису, низьким рівнем помилок і довговічністю.MLC в основному призначений для додатків споживчого класу, його ємність у 2 рази вища, ніж SLC, недорогий, підходить для флеш-накопичувачів USB, мобільних телефонів, цифрових камер та інших карт пам’яті, а також широко використовується сьогодні в SSD споживчого класу. .

Флеш-пам'ять NAND можна розділити на дві категорії: 2D структура та 3D структура відповідно до різних просторових структур.Транзистори з плаваючим затвором в основному використовуються для 2D FLASH, тоді як 3D flash в основному використовує транзистори CT і плаваючий затвор.Є напівпровідником, КТ є ізолятором, обидва різні за природою та принципом.Різниця:

2D структура NAND Flash
Двовимірна структура комірок пам’яті влаштована лише в площині XY чіпа, тому єдиний спосіб досягти більшої щільності в тій самій пластині за допомогою технології 2D flash – це зменшити технологічний вузол.
Недоліком є ​​те, що помилки у флеш-пам’яті NAND частіше виникають для менших вузлів;крім того, існує обмеження на найменший вузол процесу, який можна використовувати, а щільність зберігання невисока.

Тривимірна структура NAND Flash
Щоб збільшити щільність зберігання, виробники розробили технологію 3D NAND або V-NAND (vertical NAND), яка розміщує комірки пам’яті в Z-площині на одній пластині.

У флеш-пам’яті 3D NAND комірки пам’яті з’єднані як вертикальні рядки, а не як горизонтальні рядки в 2D NAND, і побудова таким чином допомагає досягти високої щільності бітів для тієї самої області мікросхеми.Перші продукти 3D Flash мали 24 шари.