Κατανοήστε τη διαφορά μεταξύ διαφορετικών βαθμών SSD Chips NAND Flash SLC, MLC, TLC, QLC

Το πλήρες όνομα του NAND Flash είναι Flash Memory, το οποίο ανήκει σε μια συσκευή μη πτητικής μνήμης (Non-volatile Memory Device).Βασίζεται σε σχέδιο τρανζίστορ πλωτής πύλης και τα φορτία μανδαλώνονται μέσω της πλωτής πύλης.Δεδομένου ότι η πλωτή πύλη είναι ηλεκτρικά απομονωμένη, έτσι τα ηλεκτρόνια που φτάνουν στην πύλη παγιδεύονται ακόμα και μετά την αφαίρεση της τάσης.Αυτό είναι το σκεπτικό για τη μη μεταβλητότητα του φλας.Τα δεδομένα αποθηκεύονται σε τέτοιες συσκευές και δεν θα χαθούν ακόμη και αν απενεργοποιηθεί η τροφοδοσία.
Σύμφωνα με διαφορετική νανοτεχνολογία, το NAND Flash έχει βιώσει τη μετάβαση από το SLC στο MLC και στη συνέχεια στο TLC και κινείται προς το QLC.Το NAND Flash χρησιμοποιείται ευρέως σε eMMC/eMCP, δίσκους U, SSD, αυτοκίνητα, Internet of Things και άλλα πεδία λόγω της μεγάλης χωρητικότητας και της γρήγορης ταχύτητας εγγραφής.

Το SLC (αγγλικά πλήρες όνομα (Single-Level Cell – SLC) είναι ένας χώρος αποθήκευσης ενός επιπέδου
Το χαρακτηριστικό της τεχνολογίας SLC είναι ότι το φιλμ οξειδίου μεταξύ της πλωτής πύλης και της πηγής είναι πιο λεπτό.Κατά την εγγραφή δεδομένων, το αποθηκευμένο φορτίο μπορεί να εξαλειφθεί εφαρμόζοντας τάση στη φόρτιση της αιωρούμενης πύλης και στη συνέχεια περνώντας από την πηγή., δηλαδή, μόνο δύο αλλαγές τάσης 0 και 1 μπορούν να αποθηκεύσουν 1 μονάδα πληροφοριών, δηλαδή 1 bit/κελί, η οποία χαρακτηρίζεται από γρήγορη ταχύτητα, μεγάλη διάρκεια ζωής και ισχυρή απόδοση.Το μειονέκτημα είναι ότι η χωρητικότητα είναι χαμηλή και το κόστος υψηλό.

Το MLC (αγγλική πλήρης ονομασία Multi-Level Cell – MLC) είναι μια αποθήκευση πολλαπλών επιπέδων
Η Intel (Intel) ανέπτυξε για πρώτη φορά με επιτυχία το MLC τον Σεπτέμβριο του 1997. Η λειτουργία του είναι να αποθηκεύει δύο μονάδες πληροφοριών σε μια Floating Gate (το τμήμα όπου αποθηκεύεται η φόρτιση στο κελί της μνήμης flash) και στη συνέχεια να χρησιμοποιεί τη φόρτιση διαφορετικών δυναμικών (Επίπεδο ), Ακριβής ανάγνωση και εγγραφή μέσω του ελέγχου τάσης που είναι αποθηκευμένος στη μνήμη.
Δηλαδή, 2 bit/κελί, κάθε μονάδα κυψέλης αποθηκεύει πληροφορίες 2 bit, απαιτεί πιο σύνθετο έλεγχο τάσης, υπάρχουν τέσσερις αλλαγές 00, 01, 10, 11, η ταχύτητα είναι γενικά μέση, η διάρκεια ζωής είναι μέση, η τιμή είναι μέση, περίπου 3000-10000 φορές διάρκεια διαγραφής και εγγραφής. Το MLC λειτουργεί χρησιμοποιώντας μεγάλο αριθμό βαθμού τάσης, κάθε κυψέλη αποθηκεύει δύο bit δεδομένων και η πυκνότητα δεδομένων είναι σχετικά μεγάλη και μπορεί να αποθηκεύσει περισσότερες από 4 τιμές τη φορά.Επομένως, η αρχιτεκτονική MLC μπορεί να έχει καλύτερη πυκνότητα αποθήκευσης.

Το TLC (αγγλικό πλήρες όνομα Trinary-Level Cell) είναι ένας χώρος αποθήκευσης τριών επιπέδων
Το TLC είναι 3 bit ανά κυψέλη.Κάθε μονάδα κυψέλης αποθηκεύει πληροφορίες 3 bit, οι οποίες μπορούν να αποθηκεύσουν 1/2 περισσότερα δεδομένα από το MLC.Υπάρχουν 8 είδη αλλαγών τάσης από 000 σε 001, δηλαδή 3 bit/κελί.Υπάρχουν επίσης κατασκευαστές Flash που ονομάζονται 8LC.Ο απαιτούμενος χρόνος πρόσβασης είναι μεγαλύτερος, επομένως η ταχύτητα μεταφοράς είναι πιο αργή.
Το πλεονέκτημα του TLC είναι ότι η τιμή είναι φθηνή, το κόστος παραγωγής ανά megabyte είναι το χαμηλότερο και η τιμή είναι φθηνή, αλλά η διάρκεια ζωής είναι μικρή, μόνο περίπου 1000-3000 διάρκεια διαγραφής και επανεγγραφής, αλλά τα βαριά δοκιμασμένα σωματίδια TLC SSD μπορούν να χρησιμοποιείται κανονικά για περισσότερα από 5 χρόνια.

Μονάδα αποθήκευσης τεσσάρων επιπέδων QLC (αγγλική πλήρης ονομασία Quadruple-Level Cell).
Το QLC μπορεί επίσης να ονομαστεί 4bit MLC, μια μονάδα αποθήκευσης τεσσάρων επιπέδων, δηλαδή 4 bit/κελί.Υπάρχουν 16 αλλαγές στην τάση, αλλά η χωρητικότητα μπορεί να αυξηθεί κατά 33%, δηλαδή, η απόδοση γραφής και η διάρκεια διαγραφής θα μειωθούν περαιτέρω σε σύγκριση με το TLC.Στο συγκεκριμένο τεστ απόδοσης, το Magnesium έχει κάνει πειράματα.Όσον αφορά την ταχύτητα ανάγνωσης, και οι δύο διεπαφές SATA μπορούν να φτάσουν τα 540MB/S.Το QLC αποδίδει χειρότερα στην ταχύτητα εγγραφής, επειδή ο χρόνος προγραμματισμού P/E του είναι μεγαλύτερος από το MLC και το TLC, η ταχύτητα είναι πιο αργή και η ταχύτητα συνεχούς εγγραφής είναι από 520MB/s σε 360MB/s, η τυχαία απόδοση μειώθηκε από 9500 IOPS σε 5000 IOPS, απώλεια σχεδόν κατά το ήμισυ.

ΥΓ: Όσο περισσότερα δεδομένα αποθηκεύονται σε κάθε μονάδα κυψέλης, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα ανά μονάδα επιφάνειας, αλλά ταυτόχρονα, οδηγεί σε αύξηση των διαφορετικών καταστάσεων τάσης, η οποία είναι πιο δύσκολο να ελεγχθεί, επομένως η σταθερότητα του τσιπ NAND Flash χειροτερεύει και η διάρκεια ζωής γίνεται μικρότερη, καθένα με τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα.

(Η ζωή ανάγνωσης και εγγραφής NAND Flash είναι μόνο για αναφορά)
Δεν είναι δύσκολο να δούμε ότι η απόδοση των τεσσάρων τύπων μνήμης flash NAND είναι διαφορετική.Το κόστος ανά μονάδα χωρητικότητας του SLC είναι υψηλότερο από αυτό των άλλων τύπων σωματιδίων μνήμης flash NAND, αλλά ο χρόνος διατήρησης δεδομένων του είναι μεγαλύτερος και η ταχύτητα ανάγνωσης είναι μεγαλύτερη.Το QLC έχει μεγαλύτερη χωρητικότητα και χαμηλότερο κόστος, αλλά λόγω της χαμηλής αξιοπιστίας και μακροζωίας του, οι ελλείψεις και άλλες ελλείψεις πρέπει να αναπτυχθούν περαιτέρω.

Από την άποψη του κόστους παραγωγής, της ταχύτητας ανάγνωσης και εγγραφής και της διάρκειας ζωής, η κατάταξη των τεσσάρων κατηγοριών είναι:
SLC>MLC>TLC>QLC;
Οι τρέχουσες κύριες λύσεις είναι η MLC και η TLC.Το SLC απευθύνεται κυρίως σε στρατιωτικές και επιχειρηματικές εφαρμογές, με υψηλή ταχύτητα γραφής, χαμηλό ποσοστό σφαλμάτων και μεγάλη αντοχή.Το MLC απευθύνεται κυρίως σε εφαρμογές καταναλωτικής ποιότητας, η χωρητικότητά του είναι 2 φορές υψηλότερη από το SLC, χαμηλού κόστους, κατάλληλο για μονάδες flash USB, κινητά τηλέφωνα, ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές και άλλες κάρτες μνήμης και χρησιμοποιείται επίσης ευρέως σε SSD καταναλωτικής ποιότητας σήμερα .

Η μνήμη flash NAND μπορεί να χωριστεί σε δύο κατηγορίες: δισδιάστατη δομή και τρισδιάστατη δομή σύμφωνα με διαφορετικές χωρικές δομές.Τα τρανζίστορ πλωτής πύλης χρησιμοποιούνται κυρίως για 2D FLASH, ενώ το 3D flash χρησιμοποιεί κυρίως τρανζίστορ CT και floating gate.Είναι ημιαγωγός, το CT είναι μονωτής, τα δύο είναι διαφορετικά στη φύση και την αρχή.Η διαφορά είναι:

Δισδιάστατη δομή NAND Flash
Η δισδιάστατη δομή των κυψελών μνήμης είναι διατεταγμένη μόνο στο επίπεδο XY του τσιπ, επομένως ο μόνος τρόπος για να επιτευχθεί υψηλότερη πυκνότητα στην ίδια γκοφρέτα χρησιμοποιώντας τεχνολογία 2D flash είναι να συρρικνωθεί ο κόμβος διεργασίας.
Το μειονέκτημα είναι ότι τα σφάλματα στο NAND flash είναι πιο συχνά για μικρότερους κόμβους.Επιπλέον, υπάρχει ένα όριο στον μικρότερο κόμβο διεργασίας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί και η πυκνότητα αποθήκευσης δεν είναι υψηλή.

3D δομή NAND Flash
Για να αυξήσουν την πυκνότητα αποθήκευσης, οι κατασκευαστές έχουν αναπτύξει τεχνολογία 3D NAND ή V-NAND (κάθετη NAND), η οποία στοιβάζει κελιά μνήμης στο επίπεδο Z στο ίδιο wafer.

Στο φλας 3D NAND, τα κελιά μνήμης συνδέονται ως κάθετες συμβολοσειρές και όχι ως οριζόντιες σε 2D NAND, και η κατασκευή με αυτόν τον τρόπο βοηθά στην επίτευξη υψηλής πυκνότητας bit για την ίδια περιοχή τσιπ.Τα πρώτα προϊόντα 3D Flash είχαν 24 επίπεδα.