QLC vs. TLC NAND:哪个最适合您的存储需求?

QLC与TLC的基本区别

购买闪存的人马上就面临着对底层存储技术的选择。是的，所有闪存设备都使用半导体存储单元代替铁磁极化来存储比特，但与硬盘不同的是，闪存设备每个存储单元可以存储1、2、3或4比特。每个单元的比特数越多，每块芯片的存储容量就越高。由于多比特单元的优点和技术进步已经缓解了其大部分缺点，TLC和QLC主导了消费者市场，并正在迅速取代SLC，但最严格的工作负载除外企业存储系统．

让我们更深入地探讨TLC和QLC之间的区别。闪存单元利用被困在绝缘板或绝缘层上的电荷来调节晶体管中的电流。两种最常见的结构是浮动栅和电荷陷阱电池，在这两种情况下，它们围绕着一个存储层——要么是在浮动栅的情况下导电多晶硅，要么是在电荷陷阱的情况下绝缘氮化硅，带有一个侮辱层来隔离存储的电子。在每一种电路中，存储在浮动栅极上的电荷量会影响必须施加在控制栅极上的电压，以使电流通过晶体管通道，即打开晶体管。在SLC中，只有一个阈值电压，晶体管或开或关。

TLC不是一个单一的阈值电压，而是有七个(加上“零”状态)，以允许每个单元存储三位，即:

• 000
• 001
• 010
• 011
• One hundred.
• 101
• 110
• 111

QLC

类似地，QLC可以在其浮动栅极上保持16个电荷态，对应于16个阈值电压水平，每个电池对应4位:0000,0001,0010，…1111。考虑到微小的电源电压(通常是3.3 V)，从TLC到QLC有效地将位级之间的阈值差异减少了一半，例如，从470 mV到220 mV，这显著增加了噪声、过程差异和芯片缺陷．

如前一篇文章所述，TLC和QLC之间的本质区别是性能和容量之间的权衡。特别地，质保中心提供:

• 更低的单位成本，即单位容量的成本。
• 更高的密度，即在相同的物理足迹中有更多的容量。
• 相同容量的每个系统更少的闪存设备，这可以降低总拥有成本。

薄层色谱

相反，TLC提供:

• 每个单元格的写操作更多(耐力);尽管，由于密度的差异，QLC驱动器通常要求更高的总写入字节数。
• 更高的性能，特别是对于小块大小。
• 稍微更好的可靠性;尽管如此，由于改进的纠错算法和QLC设备牺牲更多的单元以获得冗余而不会显著降低整体容量的能力，差距正在缩小。

QLC的容量优势是如此引人注目，以至于许多所有的flash数组(AFA)供应商已经调整了他们的控制器软件和缓存设计，以减轻，如果不是完全消除，它的缺点相比TLC和SLC。因此，当看到越来越多的企业AFAs使用QLC作为选择媒介时，不要感到惊讶。

吞吐量与持久性的权衡

记忆技术很少给你免费的东西;在一个方向上推进边界通常会牺牲另一个维度的功能和性能。NAND闪存单元技术的发展导致了更高密度的权衡，通过在每个单元中封装更多的位来换取更慢的I/O吞吐量、更高的读延迟和更低的持久性。

吞吐量和持久性与容量和成本之间的权衡是一些存储系统仍然使用SLC设备的原因。SLC设备的耐用性使它们成为写密集型事务处理工作负载的理想选择。然而，机器学习、大数据分析和流媒体等新类别的应用涉及越来越多的工作负载，主要是读取数据，而不是写入数据，从而最小化闪光耐久性的重要性．

QLC vs. TLC:每天写作次数减少的趋势

根据研究公司Forward Insights的数据，2018年售出的ssd中，规格为每天写一次以上(DWPD)的不足20%。据估计，到2023年，85%的驱动器将是低持续时间的型号，规格为一个或更少的DWPD。DWPD测量写入驱动器的总数据量，按其总容量的比例，并用于指定保证的驱动器5年的持久时间。一个1tb的驱动器配置在一个DWPD上，平均每天可以支持1tb的数据写，持续5年。

每天写操作减少的趋势支持了QLC驱动器。由于存储单元中每个位元状态的电荷水平有严格的公差，而且在前沿的闪存制造工艺中间隔更紧，绝缘门更薄，它们是目前所有闪存设备中耐久最短的。

在比较设备类型之间的DWPD规格时必须小心，因为这是一个相对的度量，是总驱动器容量的函数。像美光科技指出，一个960 GB的TLC SSD额定1 DWPD具有类似于1.92 TB的整体耐力QLC SSD对于特定工作负载，额定为0.5 DWPD。尽管QLC DPWD规范较低，但对于这两个设备来说，每天可以写入的数据总量是相同的。因此，对于几乎只读取数据的工作负载，QLC设备是一个更好的选择，因为它增加了容量。

QLC和TLC如何互补

QLC市场专注于以读为主的工作负载;它并不是要取代TLC设备，而是要取代hdd。这就是美光继续生产这两种设备的理由。美光提出了一个令人信服的论点，即TLC和QLC是互补的，QLC填补了TLC闪存和HDD磁盘之间的空白。事实上，美光认为，由于ssd在读取数据时不会磨损，而hdd却会，对于工作负载来说，QLC的持久性优于hdd其中，数据写入模式包括很大比例的大型顺序传输。

通过仔细研究各种应用程序的I/O模式，我们可以更精确地描述最适合QLC和TLC驱动的工作负载特征。根据美光的建模，QLC驱动器是最好的操作的工作负载对于小的或随机的数据传输，直到读/写的比例达到70- 30，对于顺序写的大的应用程序，读/写的比例是50-50。相反，TLC驱动器更适合写为主的工作负载，除了少数事务性很强的应用程序可能需要一个可以处理5或10 DWPD的SLC驱动器。

幸运的是，许多增长最快、利用率最高的企业应用程序读数据比写数据占优势。这些包括:

• 使用数据湖或Hadoop等分布式大数据应用进行数据分析;
• 使用机器或深度学习的人工智能应用;
• NoSQL数据库;
• 使用Ceph、Gluster、Luster等的大型对象存储;和
• 流媒体和内容交付网络。

系统设计也很重要

设计了QLC器件使用更大的内存块比TLC更适合大块顺序传输的I/O，而不是许多数据库中典型的小的随机I/O。

存储系统可以绕过这一限制的一种方法是将QLC ssd阵列与执行写合并的非易失性DIMM (NVDIMM)写缓冲区耦合。小的随机写操作被缓冲，直到足够的写操作累积到一个数据块，然后系统将它们作为单个传输顺序写入磁盘卷或文件系统。NVDIMM缓存缓冲区可以是电池或电容支持的动态RAM模块，非易失性Optane持久内存模块，甚至是高耐久性的SLC或TLC NVMe驱动器。

微软和西部数据都详细介绍了使用QLC的方法NVMe-zoned名称空间．目前已有使用QLC的企业存储系统，如2019年发布的Pure storage的flashharray //C。

由于具有相当大的容量优势和较低的位成本，预计QLC设备将与TLC和SLC设备一起在企业数据中心激增。存储系统将根据每个应用程序的I/O特征和需求智能地管理工作负载放置。