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2018-04-25 09:41 出处:其他 作者:佚名 责任编辑:pchuanan

  NAND Flash的技术不断成长,从单一Cell存储1bit的SLC,发展到单一Cell存储2bit的MLC,再到目前主流的单一Cell存储3bit的TLC,以及即将普及的单一Cell存储4bit的QLC,可见NAND Flash的成本随着每一次技术革新成指数倍下降,带给用户的是越来越便宜的NAND Flash使用成本。让我们可喜的是,不论是用在个人电脑中的SSD固态硬盘还是用在手机中的EMMC/UFS今后的数年,即便的容量即便不断翻倍,而购买成本将会越来越便宜。

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全球NAND Flash 存储密度增长趋势(来源:中国闪存市场)

  对于手机来说,我们一般不会给手机换MMC/UFS。相对手机,SSD我们更容易接触到,也更容易为PC和笔记本更换,而琳琅满目的SSD品牌,让一般消费者无从下手。我们用一般用户能抓取到的数据,窥探一个SSD的质量好与坏,让一般用户有机会根据这些表面数据,来选择合适自己的SSD。

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京东上SSD品类有8000多个商品可供选择

  一、SSD中所用颗粒数对固态硬盘质量的影响

  前文我们提过,NAND FLASH技术从SLC发展到MLC再发展到TLC,目前NAND FLASH主力提供商包括三星、海力士、东芝、镁光、英特尔和闪迪(被西部数据收购),大批量提供的NAND为TLC(3D NAND制程),少量的MLC。 每一家Flash供应商有自己的战略布局,例如三星的Flash在性能上表现优越,成为高性能手机EMMC和UFS中的主力供应者和首选(华为手机就曾因三星UFS供应问题而躺枪);而Intel的Flash几乎在手机里面难觅其踪,因为大量搭配其CPU用在了服务器领域,以稳定性和容量著称,而非性能。所以我们在当前市面上非原厂品牌的SSD中,三星和海力士的用到的最少,主流较多的以东芝/闪迪和英特尔/镁光为主。

  任何一个SSD需要两个部分的协作方可稳定运行,即主控+NAND Flash,如果NAND Flash在SSD市场出现较少,主控对相应的NAND Flash的支持也将有限,主控厂商只有对NAND的支持越好,他们的价值才越大,这是基本的商业逻辑。所以当前市场上虽然主控厂声称支持所有原厂NAND,但实际上对韩系支持一般般。
         
  以2015年因特尔推出的3D NAND为例,Intel的3D NAND代号是L06B/B0KB,L06B是MLC产品的代号,采用ONFI 4.0标准,Die Size 32GB,16k Page Size,使用4-plane设计,闪存寿命是3000 P/E。B0KB则是TLC产品的代号,采用的是同一芯片,用户可以根据自己的需求选择采用MLC模式和TLC模式,Die Size 48GB,闪存寿命是1500 P/E,由于是TLC所以需要ECC标准是更高的LDPC(SMI主控对Intel提供的LDPC纠错来提升P/E)。将多个Die进行堆叠封装为颗粒,单颗颗粒在L06B模式下就能从32G到512G(16层堆叠)可选,而在B0KB模式下,单颗颗粒可以从48G到768G(16层堆叠)可选。

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Intel 3D NAND架构

  通过多Die封装的方式,可以让单颗颗粒容量越做越大,这些颗粒在SSD的使用中,这里存在一个很基本的逻辑,即质量越高的Die,可封装的层数越多,容量越大;一个SSD采用的颗粒数越少,出问题的几率越低。故在挑选SSD的时候,颗粒越少同时容量越大,该SSD的质量越高。

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近期从某拆解网站上看到的120G采用了8颗TSOP封装颗粒

  入门级120GB,240GB固态硬盘,若是两三年前TLC还未普及的时候的产品,有可能会采用多颗颗粒的方式,但是在目前TLC已经成为主流的情况下,用户在选择的时候还需要先掂量掂量。

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近期从某拆解网站上看到的640G SSD采用单颗BGA封装颗粒

  这颗应该就是前面谈到Intel TLC单颗能做到的最大容量768GB,选择制作成SSD开卡为640GB,这个为TLC NAND 主流应用的典型。

  二、OP(Over-Provisioning)预留空间对质量的影响

  OP预留空间,英文名称Over-Provisioning,是指固态硬盘内部存在的,由主控芯片控制的,用户不可操作的隐藏空间。这部分空间就是用于主控各种优化机制的操作,诸如GC回收,磨损均衡等。通俗来讲,预留的OP空间越多,越能提高固态主控机制,诸如GC回收,磨损均衡的性能,从而提升和保持固态硬盘长久的高速而不掉速。同样,固态硬盘就会越稳定,返修也越低,寿命更长。资料参考Kingston官网(https://www.kingston.com/tw/ssd/overprovisioning

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不同使用容量的OP占比(来源于Kingston官网)

  在MLC时代,128G/256G/512G容量较为常见,因为MLC的单一Cell存储两个bit相较于TLC的单一Cell存储3个Bit会更为稳定,在迈入TLC时代之后,120G/240G/480G 更常见一些,Intel在服务器市场还会出现360G/800G,而Mircron针对消费类更是喜欢推出275G、525G这种奇葩容量。我们可以推算出来,用于服务器的360GB,如果用512GB,OP预留值达42%;用于消费类的275G,如果用192G+96G(与Intel共厂生产的B0KB),则OP值为4.7%。可以看到,原厂在制作SSD的时候,根据不同市场设定不同的OP值来满足于市场。对于非原厂类的品牌,若是TLC产品,必然是OP值越大越好。

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组装机电商用320G做主力硬盘降低返修率

  可以观察到,国内较大规模的组装机电商经常用到320GB,160GB这种奇葩容量来组装,原因是这类产品有较大OP预留,如果是192GB开卡为160GB,OP值为20%,通过降低返修率,可以降低其返修带来的往返运费。

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Intel针对服务器使用的S3520系列

  S3520写采用的是MLC颗粒,入门级的150GB如果用256GB颗粒制作, 预留的OP值达70%!通过大量的OP值预留,可以稳定的运行在服务器上,这也是印证了前文所提及的Intel的NAND Flash的企业战略--满足于服务器的需求。

  三、不要被SSD速度“误导”了

  一个SSD的速度取决于两个层面,即主控的运作方式和所采用的NAND Flash。在NAND FLASH的速度层面,三星一直是Bug般的存在,其速度在同级别NAND Flash中确实不可匹敌;而在主控层面,不同的解决方案带来以不同的SSD表现。

  当前所有的SSD的主控均有对SSD进行优化,在当前的TLC时代,主控给出廉价解决方案为:将TLC模拟SLC模式,先让SLC这部分当搬运工,数据写入SLC,这样效率最高;SLC写完之后,主控亲自上阵当搬运工,所以体现为TLC真实速度。因为前面提到TLC是1个Cell存储3个bit,SLC是1个Cell存储1个bit,故TLC模拟SLC模式只能模拟到全盘的1/3容量,这部分写完后会体现TLC的本身速度。为了满足不同用户的需求,靠卖主控吃饭的主控厂,还给出另外一个解决方案,即:在TLC模拟SLC的同时,增加一颗DDR缓存颗粒,让缓存颗粒协助搬运数据,一般是1G应对1M的匹配关系。

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不带缓存480G SLC模式下的测试(40G写入)

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不带缓存480G填充全盘1/3以上测试(40G写入)

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带缓存的500G填充全盘1/3以上测试(40G写入)

  这个工具叫做HD Tune Pro,这款工具能让用户实打实的测试出SSD的真实效能,能不轻易被品牌工厂和媒体误导。之所以没有测试填充后的读取,是因为SSD的读取基本是不变的,一般我们用到SSD的时候,比如说玩游戏,也是读取操作,写入操作是仅在于大量拷贝的时候才会有,所以作这个比较是为了让大家了解一款SSD的写入性能。时至今日,仍有人误导用户说机械硬盘比固态硬盘好,也有人说SSD性能不如U盘,实在是贻笑大方。

  通过上面三张图的比较我们可以看到以下结论:

  1、不论是带DDR方案还是不带DDR方案,就写入比较而言,模拟SLC段的写入都是大同小异的

  2、当1/3的SLC模式填充完之后,写入会出现变化。主控带DDR的解决方案的平均速度是不带DDR的平均速度的一倍以上。

  3、不论是带DDR还是不带DDR方案,均会出现最低速度低于10M的情况,这是因为主控在搬运数据的时候的垃圾回收功能决定的。在看一个SSD的写入的时候,最好参考值是平均写入速度,最高值和最低值均只能作参考。

  大容量SSD时代来临的时候,我们购买SSD不再是用于装个操作系统,SSD实现的功能是存储功能,用更为稳定的SSD取代HDD来实现存储,对于不同用户需求来说,对写入速度有不同的要求,如果每天需要大量的拷贝,选择带DDR的解决方案或者三星的SSD会是最好的选择。

  四、国产NAND Flash任重而道远。

  最后,我们来看看国产NAND Flash的趋势和进度。

  在CITE2018展会上开幕式上,长江存储宣布32层64Gb 3D NAND Flash存储器将会在2018年达成小规模量产的目标,2019年64层128G 3DNAND Flash储器则将会进入规模研发的阶段。

  单Die 64Gb即8GB容量,我们在前文谈到Intel上一代代号为B0KB的TLC为单Die 32GB,当前量产的代号为B17的TLC为单Die 64GB,即使国产NAND FLASH良率与国际大厂一致,当前成本差异也将达到8倍。若摩尔定律在NAND FLASH中继续生效,国产NAND Flash的成本仍然需要很长的时间才能实现市场化竞争。当前中美贸易战争还在继续,面对这种受制于人的局面,只能由衷的祝愿国产的NAND 能够早日实现技术革新并规模化量产,这样我们也能早日能用上中国芯的SSD产品。

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  总结

  NAND技术还在继续发展,并仍然遵循摩尔定律,可以大胆的预测,当QLC时代正式来临,SSD取代HDD将成为可能。在SSD的选择上,我们需要掌握一定的基础知识,遵循基础的选购逻辑,这才能避免掉入别人的忽悠陷阱。

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