適用於消費類 SSD 的 QLC NAND

作者伊姆蘭·希拉尼 | 2021 年 5 月 10 日 | 全部, 技術

在過去的十年中，由於“物聯網”領域的技術進步，數據呈指數級增長。指數級數據增長需要存儲技術的進步來存儲生成的數據。硬盤驅動器（HDD）和固態驅動器（SSD）是現代計算系統中的兩種主要存儲形式，它們已經增加了存儲容量以滿足需求。

HDD行業現在使用熱輔助磁記錄或微波輔助磁記錄來增加驅動器容量。 SSD 製造商通過在每個 NAND 存儲單元存儲更多位來滿足對更高容量的需求。

NAND閃存技術

NAND 閃存技術始於每個單元存儲一位，該單元稱為單級單元 (SLC)。 SLC NAND提供高吞吐量、高耐用性和低延遲，但容量較小。 NAND 技術不斷發展並能夠在每次調用時存儲兩位，它被稱為“多層單元”(MLC)。 MLC NAND 的容量是 SLC NAND 的兩倍，但吞吐量較低且耐用性較差。 NAND 技術的進一步增強使得每個單元可以存儲三位，這被稱為三級單元 (TLC)。 TLC NAND 的容量是 SLC NAND 的三倍，但吞吐量和耐用性卻低得多。最新的 NAND 技術每個單元存儲 4 位，即四級單元 (QLC)。 QLC NAND 提供四倍於 SLC 的容量，但吞吐量和耐用性要低得多。

如何解決 QLC NAND 的權衡

QLC NAND 滿足了增加的容量要求，但也帶來了吞吐量較慢和耐用性較低的權衡。解決 QLC 吞吐量較低和耐用性較低的問題的一種方法是在驅動器上添加小型 SLC 緩存。來自主機的數據首先寫入SLC緩存，然後數據移動到QLC。主機看到的吞吐量取決於工作負載。如果正在寫入的數據大小小於 SLC 緩存大小，則主機將看到 SLC 吞吐量。如果寫入的數據大於SLC緩存大小，則將看到SLC和QLC性能的結合。

SLC 緩存還可以解決 QLC NAND 針對特定工作負載的耐用性問題。如果主機正在寫入和重寫特定的邏輯塊地址（LBA）範圍，並且LBA範圍小於SLC緩存大小，則SLC緩存中的數據無效，並且僅LBA的最終副本移動到QLC。

最大化使用 SLC 緩存的優勢

為了最大限度地發揮 SLC 緩存的優勢，NAND 閃存支持在 SLC 模式下使用 QLC NAND。在此模式下，QLC 單元將僅用於存儲單個位。這將使容量減少四分之一，但提供 SLC 單元的吞吐量和耐用性。當用於“全新開箱即用”(FOB) 驅動器或未完全填滿驅動器的應用程序時，使用此功能將啟用更大的 SLC 緩存，從而提供更好的吞吐量和耐用性。

消費者工作負載

SLC 緩存的優勢取決於工作負載。 QLC 硬盤可以與 SLC 緩存完美搭配嗎？消費類硬盤具有以下特點：

- 消費者驅動器工作負載是突發性的，這意味著數據會在短時間內寫入驅動器，之後驅動器將處於空閒狀態。
- 消費者工作負載生成的平均隊列深度 (QD) 為 4，最大 QD 為 7。
- 消費者驅動器寫入有限的邏輯塊地址（LBA）。
- 消費者驅動器很少被填滿到最大容量。

適用於消費類驅動器的 QLC NAND

QLC NAND 提供最佳的每比特成本，但存在性能較低和耐用性較低的限制。由於消費者工作負載呈突發性且寫入的LBA範圍有限，QLC NAND可以與SLC緩存相結合，提供用戶體驗良好且成本最低的解決方案。主機寫入的所有數據都定向到SLC緩存，提供更好的用戶體驗。當驅動器空閒時，數據從SLC移動到QLC。儘管 QLC 性能很慢，但主機看不到它，因為此操作是在主機空閒時執行的。

消費者工作負載也會在有限的 LBA 範圍內進行寫入。首先將數據寫入SLC可確保僅將數據的最終有效副本寫入QLC。這限制了對 QLC 的寫入，使 QLC NAND 能夠用於消費類驅動器，儘管其耐用性較低。

目前，SLC 緩存已用於消費級 TLC 驅動器。它利用客戶工作負載來解決 TLC NAND 上速度較低和耐用性有限的類似限制。與 TLC NAND 相比，基於 QLC 的驅動器可提供更高的 33% 容量。這降低了驅動器的成本。