适用于消费类 SSD 的 QLC NAND

作者伊姆兰·希拉尼 | 2021 年 5 月 10 日 | 全部, 技术

在过去的十年中，由于“物联网”领域的技术进步，数据呈指数级增长。指数级数据增长需要存储技术的进步来存储生成的数据。硬盘驱动器（HDD）和固态驱动器（SSD）是现代计算系统中的两种主要存储形式，它们已经增加了存储容量以满足需求。

HDD行业现在使用热辅助磁记录或微波辅助磁记录来增加驱动器容量。 SSD 制造商通过在每个 NAND 存储单元存储更多位来满足对更高容量的需求。

NAND闪存技术

NAND 闪存技术始于每个单元存储一位，该单元称为单级单元 (SLC)。 SLC NAND提供高吞吐量、高耐用性和低延迟，但容量较小。 NAND 技术不断发展并能够在每次调用时存储两位，它被称为“多层单元”(MLC)。 MLC NAND 的容量是 SLC NAND 的两倍，但吞吐量较低且耐用性较差。 NAND 技术的进一步增强使得每个单元可以存储三位，这被称为三级单元 (TLC)。 TLC NAND 的容量是 SLC NAND 的三倍，但吞吐量和耐用性却低得多。最新的 NAND 技术每个单元存储 4 位，即四级单元 (QLC)。 QLC NAND 提供四倍于 SLC 的容量，但吞吐量和耐用性要低得多。

如何解决 QLC NAND 的权衡

QLC NAND 满足了增加的容量要求，但也带来了吞吐量较慢和耐用性较低的权衡。解决 QLC 吞吐量较低和耐用性较低的问题的一种方法是在驱动器上添加小型 SLC 缓存。来自主机的数据首先写入SLC缓存，然后数据移动到QLC。主机看到的吞吐量取决于工作负载。如果正在写入的数据大小小于 SLC 缓存大小，则主机将看到 SLC 吞吐量。如果写入的数据大于SLC缓存大小，则将看到SLC和QLC性能的结合。

SLC 缓存还可以解决 QLC NAND 针对特定工作负载的耐用性问题。如果主机正在写入和重写特定的逻辑块地址（LBA）范围，并且LBA范围小于SLC缓存大小，则SLC缓存中的数据无效，并且仅LBA的最终副本移动到QLC。

最大化使用 SLC 缓存的优势

为了最大限度地发挥 SLC 缓存的优势，NAND 闪存支持在 SLC 模式下使用 QLC NAND。在此模式下，QLC 单元将仅用于存储单个位。这将使容量减少四分之一，但提供 SLC 单元的吞吐量和耐用性。当用于“全新开箱即用”(FOB) 驱动器或未完全填满驱动器的应用程序时，使用此功能将启用更大的 SLC 缓存，从而提供更好的吞吐量和耐用性。

消费者工作负载

SLC 缓存的优势取决于工作负载。 QLC 硬盘可以与 SLC 缓存完美搭配吗？消费类硬盘具有以下特点：

- 消费者驱动器工作负载是突发性的，这意味着数据会在短时间内写入驱动器，之后驱动器将处于空闲状态。
- 消费者工作负载生成的平均队列深度 (QD) 为 4，最大 QD 为 7。
- 消费者驱动器写入有限的逻辑块地址（LBA）。
- 消费者驱动器很少被填满到最大容量。

适用于消费类驱动器的 QLC NAND

QLC NAND 提供最佳的每比特成本，但存在性能较低和耐用性较低的限制。由于消费者工作负载呈突发性且写入的LBA范围有限，QLC NAND可以与SLC缓存相结合，提供用户体验良好且成本最低的解决方案。主机写入的所有数据都定向到SLC缓存，提供更好的用户体验。当驱动器空闲时，数据从SLC移动到QLC。尽管 QLC 性能很慢，但主机看不到它，因为此操作是在主机空闲时执行的。

消费者工作负载也会在有限的 LBA 范围内进行写入。首先将数据写入SLC可确保仅将数据的最终有效副本写入QLC。这限制了对 QLC 的写入，使 QLC NAND 能够用于消费类驱动器，尽管其耐用性较低。

目前，SLC 缓存已用于消费级 TLC 驱动器。它利用客户工作负载来解决 TLC NAND 上速度较低和耐用性有限的类似限制。与 TLC NAND 相比，基于 QLC 的驱动器可提供更高的 33% 容量。这降低了驱动器的成本。