陈宏斌   2019-6-3
 高级软件工程师

概要
本文从SSD结构出发,详细介绍NAND闪存芯片QLC、SLC、MLC、TLC之间的区别、各自的优缺点以及其适用的人群。


任何尝试过SSD的人,无一不能向您证明SSD领先于传统HDD的优点,伴随着应用程序的加载速度更快、整体效率更高,以及更强的耐用性与稳定性,毫无疑问,SSD终将会成为每一台家庭计算机中的标配。但您是否曾经想过,在同等容量下,为什么某些SSD比其他其他更贵?正如高性能赛车一样,这一切都是关于引擎盖下的学问。
2019最新更新:以往SSD均采用SLC、MLC、TLC芯片架构,而TLC则比较普遍。但科技迅猛发展,用户的需求也日益增长,如今一款新型闪存芯片QLC已面世。QLC(四层单元)的容量更大,价格也更便宜。想要了解更多相关细节,请继续关注QLC(四层单元)的详细信息
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剖析SSD

剖析SSD

在详细分析这个问题前,我们可能需要先了解一下SSD的内部构造:
A. NAND闪存:SSD储存数据的部分,以非易失性,即断电后仍能保存数据的内存块。

B. DDR内存:少量的易失性内存(需要电源来维护数据)用于缓存未来访问的信息。

C. 主控芯片:连接NAND闪存与计算机之间的主要电子组件。

ssd component2

什么是NAND闪存?

什么是NAND闪存?

NAND闪存是比传统硬盘驱动器更好的存储设备,它使用的是非易失性存储技术,即断电后仍能保存资料的存储设备。
NAND闪存由多个以(bit)为单位的单元构成,这些位通过电荷被打开或关闭,如何组织这些开关单元来储存在SSD上的数据,也决定了NAND闪存的命名,比如单层单元(SLC)闪存在每个存储单元中包含1个位。
由于SSD电路板规格具有行业标准尺寸,因此同样的单元物理空间下,多层单元(MLC)能使容量翻倍,三层单元(TLC)更能使容量变为三倍,基于这种发展,为SSD趋向大容量开辟了道路。在性能、体积的优势基础上,NAND闪存目前发展的方向便是降低每比特存储成本、提高存储容量,因此就有了后来的四层单元(QLC),每个存储单元有4个bits的格式。
different ssd
但是,并非单元层数越多就越好,不同层级的单元NAND闪存有不同的特点,您可以通过下面对SLC、MLC、TLC、QLC的介绍,了解自己对不同NAND闪存的基础需求,选择适合自己的SSD。

单层单元(Single Level Cell,简称SLC)

单层单元(Single Level Cell,简称SLC)

单层单元闪存俗称SLC,这种类型的闪存在读写数据时具有最为精确,并且还具有持续最长的数据读写寿命的优点。
SLC擦写寿命约在9万到10万次之间。这种类型的闪存由于其使用寿命,准确性和综合性能,在企业市场上十分受众。但由于储存成本高、存储容量相对较小,在家用市场则不太受青睐。

优点:

  • 读写速度最快的NAND闪存芯片规格。
  • 与任何其他类型的闪存相比,擦写寿命和读写循环的周期最长
  • 读取/写入错误的发生几率更小,并可在跨度更大的温度范围内正常运行。

缺点:

  • 市场上最昂贵的NAND闪存类型。
  • 通常只有较小的容量。
建议使用对象: 需要大量读取/写入周期的工业级负载,例如服务器。

多层单元(Multi Level Cell,简称MLC)

多层单元(Multi Level Cell,简称MLC)

多层单元俗称MLC,它的命名来源于它在SLC的1位/单元的基础上,变成了2位/单元。这样做的一大优势在于大大降低了大容量储存闪存的成本,因为闪存作为SSD的核心,其生产成本通常都会反映在SSD的价格上并最终转嫁到消费者的身上。
对于消费类SSD,凭借相对合理的容量/价格比,MLC闪存是家庭计算机的首选,虽然擦写寿命只有约1万次,但对于家用级别来说已经十分足够。

优点:

  • 扩展的SSD的容量,也拥有合理的性价比。
  • 比TLC闪存表现更加稳定。
缺点: 不如SLC闪存那般耐用可靠。
建议使用对象: 较频繁地使用计算机的用户或游戏玩家。

三层单元(Triple Level Cell,简称TLC)

三层单元(Triple Level Cell,简称TLC)

TLC闪存是闪存生产中最低廉的规格,其储存达到了3位/单元,虽然高储存密度实现了较廉价的大容量格式,但其读写的生命周期被极大地缩短,擦写寿命只有短短的500~1000次,同时读写速度较差,只适合普通消费者使用,不能达到工业使用的标准。
优点: 较低的生产成本开启了廉价大容量SSD市场。
缺点: • 与SLC、MLC相比,TLC储存单元的擦写寿命要短得多。 • 理论上读写速度与SLC、MLC相比最慢。
建议使用对象: 对存储需求不大的轻度使用需求的计算机用户,比如只使用上网、邮件等简单功能的上网本、平板。

四层单元(Quad-level cells,简称QLC)

四层单元(Quad-level cells,简称QLC)

QLC每个单元可储存4bit数据,跟TLC相比,QLC的储存密度提高了33%。QLC不仅能经受1000次编程或擦写循环(与TLC相当,甚至更好),而且容量提升了,成本也更低。
优点: QLC总成本更低,进行存储时依靠更少驱动器来实现。此外,QLC还具有更多容量,储存密度高,从而获得更好的效益。

缺点:与SLC、MLC相比,QLC的性能和写入寿命有所降低,但与TLC相当。

建议使用对象: 比较适合把QLC SSD作为数据仓库的用户。如果你对数据存储量的需求较大、平时对计算机进行轻度使用(写入操作少)、或者追求较低价格,建议选用QLC。
如果你担心QLC寿命以及读写速度的问题,相信以下信息能帮你解决疑惑并化解忧虑。

1、QLC寿命得到延长

前几年外界预测QLC(四层单元)可擦写寿命仅有100-150次,有很多用户都担心QLC不耐用。但后来美光、东芝等品牌商均表示3D QLC闪存能经受1000次擦写,比外界预测的寿命多了十倍。其实,QLC的擦写寿命有所延长要归功于3D NAND

一般来说,采用更先进的制作工艺能显著提升SSD的存储容量,但是SSD的寿命会变短。如今有一种新型的3D NAND技术,一方面能让固态硬盘的寿命不变,另一方面能让固态硬盘获得更大容量。该技术的概念其实非常简单:不同于将存储芯片放置在单面,3D NAND技术可以把存储单元堆叠最高32层。这样一来,单个MLC存储芯片上可以增加最高32GB的存储空间,而单个TLC存储芯片可增加48GB。

3d nand技术图示

不过QLC固态硬盘的寿命有限,仍然比不上SLC和MLC存储芯片。在此,建议大家尽量不要把QLC固态硬盘作为下载盘,作为数据仓库则会更加合适。

2、QLC固态硬盘的读写速度并不会很慢

目前已有知名品牌厂商公布了自家QLC固态硬盘的读写数据。从数据来看,QLC固态硬盘的运行速度还是不错的。
SSD品牌与型号 持续读取速度 持续写入速度
英特尔660p 542GB QLC SSD 1500 MB/s 1000 MB/s
英睿达P1 500GB QLC SSD 1900 MB/s 950 MB/s
当然,固态硬盘掉速的情况时有发生。随着新一代闪存类型的出现,旧款会逐渐被淘汰,而新一类闪存会得到更多支持,这种情况也是不可避免的。不过即使QLC固态硬盘出现掉速的情况,其性能还是优于传统的硬盘。总的来说,QLC固态硬盘并不糟糕,其性价比还是不错的。建议在选购时多关注品牌、产品质量、质保和价格等

总结

总结

通过以上的对比分析,你应该对SLC、MLC、TLC、QLC NAND闪存之间的差异有了一定的了解,对于为什么某些同等容量的SSD会显著高于同类产品也应该具备一定的洞察力,通过下面的对比表格,你可以更加直观地看到它们之间的差异。

Flash类型

SLC单层单元

MLC多层单元

TLC三层单元

QLC四层单元

擦写寿命 90,000-100,000 8,000-10,000 500-1000 1000
每个单元的位数 1 2 3 4
写入速度(星星越多表示写入速度越快) ★★★★★ ★★★☆☆ ★★☆☆☆ ★★☆☆☆
耐用度(星星越多表示耐用度越高) ★★★★★ ★★★☆☆ ★★☆☆☆ ★★☆☆☆
价格(星星越少表示价格越低) ★★★★★ ★★★☆☆ ★★☆☆☆ ★☆☆☆☆
适合人群 工业/企业 普通消费者/游戏玩家 轻度消费者 数据存储量大的用户
此外,大家都说SSD功耗低,那不同闪存类型的SSD效能是否一致?以下是关于SSD读写一小时的耗电量供大家参考。
SSD品牌与型号 闪存类型 读取功耗 SSD读取时的耗电量(1小时) 写入功耗 SSD写入时的耗电量(1小时)
西部数据S240G1G0A 240GB SLC 2.000 W 0.002000 kW·h 2.5 W 0.002500 kW·h
三星970 PRO 512GB MLC 5.200 W 0.005200 kW·h 5.2 W 0.005200 kW·h
金士顿A1000 480GB TLC 0.458 W 0.000458 kW·h 0.908 W 0.000908 kW·h
英特尔SSD 660p 542GB QLC 0.100 W 0.000100 kW·h 0.1 W 0.000100 kW·h
其实,SSD的耗电量会因不同的品牌、型号、闪存类型、读写功耗等因素而不同。就以上参考型号为例,TLC与QLC SSD的读写效能比SLC与MLC的要低,但整体上SSD耗电量还是比较低,基本可以忽略不计。

四种闪存类型的固态硬盘价格

四种闪存类型的固态硬盘价格

以上给大家详细介绍了SLC、MLC、TLC以及新诞生不久的QLC,你可以参考以上建议并结合个人实际需求来选购合适的SSD。接下来我们提供比较热门或最新的SSD以及其售价供大家参考。固态硬盘的价格会因不同的品牌、型号、容量、闪存类型等因素而不同。
SSD品牌与型号 闪存类型 亚马逊售价($) 美元/GB存储量
西部数据S240G1G0A 240GB SLC单层单元 $42 $0.18
Silicon SP240GBSS3S56B25AZ 240GB SLC单层单元 $89.99 $0.37
三星970 PRO 512GB MLC多层单元 $167.99 $0.33
金士顿KC1000 480GB MLC多层单元 $204.99 $0.43
Intel DC S3520 480GB MLC多层单元 $320 $0.67
金士顿KC400 512GB TLC三层单元 $99.99 $0.2
英特尔Intel 600P M.2 2280 512GB TLC三层单元 $100 $0.2
雷克沙Lexar NS100 480GB TLC三层单元 $85.99 $0.18
Intel SSD 660p 542GB QLC四层单元 $89.99 $0.17
Crucial P1 500GB QLC四层单元 $89.99 $0.18
ADATA SU630 480GB QLC四层单元 $57.99 $0.12

表格中的数据来源于亚马逊平台(2019年1月)

总的来说,如今大多数SSD采用MLC和TLC,是目前比较普及的民用级硬盘;虽然SLC稳定性更好,但不如MLC和TLC普遍。而QLC是新萌生的闪存类型,目前陆续上架,其价格也比较适中,相信往后会更加普遍。以上Intel、crucial、ADATA三款QLC固态硬盘是不久前发布的,建议大家可以继续密切关注QLC SSD的最新动态。