Intel
近2年多來，QLC NAND快閃記憶體逐漸滲透主流儲存陣列領域。由於耐用性與效能方面的疑慮，QLC以往的定位經常局限在低成本類型應用，主要訴求停留在取代機械式硬碟，不過，現在這種情況正在改變。
3年前，我們曾在技術專題「QLC快閃記憶體開始進入企業儲存應用」中，介紹當時剛問世的第一波QLC儲存陣列產品，時至今日，已有越來越多廠商推出基於QLC快閃記憶體的儲存陣列，包括Dell、Pure Storage、NetApp、IBM等一線大廠，以及VAST Data、WekaIO、StorOne等重要新創廠商，應用面向涵蓋了低成本儲存應用，到高效能運算領域，反映QLC快閃記憶體的發展已趨於成熟，不僅擴展了應用範圍，也將改變企業儲存系統的儲存媒體應用型態。
QLC快閃記憶體的疑慮
QLC即四層單元（Quad-Level Cell）快閃記憶體，每個單元可記錄4個位元的資料，比TLC高出33%，更比MLC高出一倍，製造成本卻沒有增加太多，因而既可提供更高的儲存密度，減少空間占用與能耗，也有助減少單位儲存成本。
但QLC提高儲存密度的代價，則是讀寫機制更為複雜與緩慢，因而在可靠性、壽命與效能等方面，先天上就存在局限。
這也導致QLC SSD產品問世以來，一直給人可靠性欠佳、不耐用、效能低落的刻板印象。儘管QLC SSD上市已有5年之久，但無論消費端或企業端用戶，對於引進QLC SSD依舊有很大的疑慮。
由於耐用性與效能明顯不如MLC與TLC，導致QLC SSD的應用範圍受到很大的局限，被認為較適合以讀取為主、不需要頻繁寫入、相對靜態的應用。
2016年我們報導Flash Memory Summit大會相關訊息，開始追蹤QLC發展時，也是抱持這種看法。當時整個企業IT領域都認為容量大、成本低，但效能與耐用性有限的QLC SSD，並不適合一般儲存應用情境使用，但適合用於長期保存大量資料的冷儲存應用。
但到了最近2、3年，這種情況已經有了巨大的改變，隨著技術的演進，QLC在效能與耐用性方面的限制已獲得顯著的緩解，也促使應用面向大幅擴展，讓QLC SSD在儲存設備逐步普及。
邁向普及的QLC應用
QLC應用何以能獲得突破？我們認為可以歸結為這2個因素：
首先，QLC快閃記憶體本身的持續改進，已有遠超過早期階段的表現。
過去大家對於QLC為何會產生耐用性低落的刻板印象？許多都是源自QLC開發階段較為保守的預測所致。
我們2016年開始追蹤QLC的發展之際，當時業界預測QLC的寫入與抹除循環次數僅僅只有150次，還不到TLC的1/5。但一年多以後，在首批QLC SSD上市前夕的2018年，儲存業界估計的抹寫壽命就提高到500次。而在QLC SSD產品正式上市後，此時的實際抹寫壽命已達到1,000次，遠高於幾年前的預測。
其次，除了QLC快閃記憶體本身的技術持續獲得改進，其面臨的耐用性與效能問題，也能透過SSD裝置層級與儲存系統層級的存取控制，來得到緩解。
快閃記憶體只是SSD裝置的一部分，而SSD又只是儲存陣列系統的一部分，因此QLC本身的效能與耐用性，只是影響SSD與儲存陣列系統的一部分因素。
就最基本的Cell儲存單元層級來看，QLC快閃記憶體的耐用性與效能確實遠不如TLC。但是，在QLC SSD裝置的層級，仍然可以透過製程與3D堆疊技術的改進，以及多通道技術與控制器的升級，搭配超額容量（Over-rovisioning）的配置，以及、損耗均衡錯誤修正等存取機制的改進，改善QLC SSD裝置的可靠性、耐用性與效能。
而在儲存陣列的層級，則能透過儲存陣列控制器的快取與緩衝機制，傳輸介面的升級，以及跨SSD模組的動態損耗均衡等技術，來緩解QLC的壽命與存取效能問題。
因此，從記憶體單元層級來看，QLC無論效能或耐用性確實都不如TLC，但是到了SSD裝置的層級，QLC SSD便未必遜於TLC SSD。而在儲存陣列系統的層級，基於QLC的系統，表現已能與基於TLC的系統並駕齊驅，甚至略佳。
迅速進步中的QLC SSD產品
從過去5年來的QLC SSD產品發展，我們便可觀察到壽命與效能方面的顯著改善。
以最早推出QLC SSD產品的Intel為例（現在屬於Solidigm），先後在2018年、2019年與2021年，推出3個世代的個人端QLC SSD產品660p、665p、670p，製程從最初的64層3D NAND技術進步到96層與144層，耐用性與效能也呈現大幅的增長。
就耐用性的方面而言，以總寫入資料量（TBW）為基準，第2代665p的耐用性比提高第1代660p高出50%，而第3代670p又比第2代提升23%，短短3個世代的產品，寫入耐用性便提升了85%。
在效能方面，第3代670p的循序讀取與寫入效能，分別比第1代670p提高95%與50%，隨機讀取與寫入效能也提高40%與54%，改進同樣十分顯著。
事實上，憑藉製程技術方面的「後發優勢」，較新世代的QLC SSD，耐用性還能超越較舊製程的TLC SSD，效能表現也達到與其不相上下的水準。
舉例來說，美光的個人端QLC SSD產品2210，推出時間比個人端TLC SSD 產品2200晚了一年，但憑藉製程與其他方面的改進（96層對64層3D NAND技術），耐用性反而超過後者，效能方面也達到同級水準。QLC版本的TBW寫入耐用性規格比TLC版本還要高出20%，而在效能規格方面，QLC版本的循序與隨機讀取效能較TLC版本略低了26%與5%，但循序與隨機寫入效能則高出12.5%與52%。
即便與同世代TLC SSD相比，當前的QLC SSD通常也只有在隨機寫入效能方面有較大差距，但已縮小到50%左右，不像早期有著最大達到5、6倍的落差。
也就是說，當前的QLC SSD早已不是以往印象中「壽命短、效能差」的產品，因此，我們現在已不能僅僅憑藉所用的快閃記憶體類型是QLC或TLC，來評價SSD產品的優劣。
QLC已備妥在企業儲存大量應用
而在儲存陣列系統層級，QLC也沒有成為企業級儲存系統持續進化的障礙，許多產品採用QLC儲存單元後，依然能夠透過整體架構的改進，獲得效能方面的提升。
舉例來說，IBM在2020年發表用於搭配FlashSystem儲存陣列，基於QLC的第2代FCM儲存模組時，IBM承認QLC雖能讓儲存模組容量翻倍，但性能不如TLC，寫入延遲慢了3倍，讀取延遲慢2、3倍，耐久性與資料保持能力都較低，但透過在FCM儲存模組上結合一系列改進措施，包括專門訂製的FPGA控制器、多傳輸通道，動態SLC快取模式與更高效率的壓縮功能，讓第2代FCM模組擁有與基於TLC的第1代FCM同等耐用性，效能甚至還有所提高。
類似的，Dell去年為PowerScale系列部分機型引進QLC SSD選項，搭配針對QLC最佳化的存取機制後，相較於使用TLC SSD組態，採用QLC SSD組態時，依然能維持同等級的整體效能表現。
因此，我們可以認為，現在已是可以擺脫對QLC的疑慮，迎接QLC在企業儲存大量應用的時刻。
既有QLC儲存陣列產品總覽
當第一批QLC SSD於2018年中推出後，不過半年多時間，市場上便出現第一波基於QLC SSD的儲存陣列產品，接下來，自2021年迄今，又有更多基於QLC SSD的全新儲存陣列產品線問世，也有更多既有儲存平臺將QLC SSD納入支援。
根據我們的觀察，最早推出QLC儲存平臺的是新創公司VAST Data，2019年初率先發表採用QLC的Universal Storage儲存平臺。快閃儲存設備大廠Pure Storage也緊隨其後，在2019年中發表了FlashArray//C系列。
2020年後，更多廠商跟進推出QLC儲存陣列產品，如Nexsan的E-Series的18F與32F，Beast Elite系列的Beast Elite F，以及StorOne的S1 : AFAn，Pure Storage也在下半年推出第2代FlashArray//C，年底時IBM與NetApp等兩大廠也加入QLC應用潮流——IBM為FlashSystem發表基於QLC的第2代FCM儲存模組（FlashCore Module），NetApp也發表基於QLC SSD的FAS500f。
接著在2021年初，Pure Storage又推出第3代FlashArray//C。值得注意的是，除了儲存陣列產品，伺服器產品也在這個時候開始支援QLC SSD，業界最具代表性的幾款伺服器家族，包括Dell的PowerEdge系列，以及HPE的ProLiant系列、Apollo系列，與 Synergy平臺，都在2021年初宣布支援QLC SSD。
在2022年，QLC應用又有關鍵進展。因為儲存業界龍頭Dell這年終於加入導入QLC的風潮，Dell為其PowerScale家族中的F900與F600，引進QLC SSD的配置選項。另外，IBM也推出基於QLC的第3代FCM儲存模組。
至於一貫非常積極支援QLC應用的Pure Storage，亦在2022年中為FlashBlade物件儲存家族，新增基於QLC的FlashBlade//S系列。另外，Weka的WekaFS，以及Scality RING這2種分散式儲存平臺，也在2022年下半年推出的新版本支援QLC SSD。
而今年（2023）剛過一半，市場出現一連串基於QLC的儲存陣列新品，包括NetApp的AFF C系列，Pure Storage的2個新系列：FlashBlade//E、FlashArray//E，還有DDN的AI400X2 QLC版。
經過3、4年的發展後，QLC快閃記憶體的應用，已經從SSD裝置層級，滲透到主流企業級儲存陣列中，有超過10家廠商與近20個產品線採用，其中包含老牌一線大廠，如Dell、NetApp、IBM、Pure Storage，也有VAST Data、Weka與StorOne這些引人注目的新創廠商。應用的產品類型，包含SAN儲存陣列、NAS、Scale-Out NAS、分散式檔案系統與物件儲存平臺等，幾乎涵蓋企業儲存設備的所有主要類型。
至於在產品的市場位階上，多數QLC儲存陣列產品，都是訴求高儲存密度與低單位儲存成本，但也有高效能應用類型產品採用QLC SSD。
接下來，我們針對較具代表性的QLC儲存陣列產品，作簡要的介紹。
Pure Storage
Pure Storage堪稱當前最積極推動QLC應用的儲存陣列廠商。
首先，Pure Storage是最早將QLC應用於企業及儲存陣列的廠商之一，他們的FlashArray//C系列，是市場上第一批QLC儲存陣列產品。
其次，Pure Storage旗下擁有最多的QLC儲存陣列產品線，對QLC的應用最為廣泛，除了最初的FlashArray//C以外，後來又陸續推出一系列基於QLC的產品線，包括FlashBlade//S、FlashBlade//E與FlashArray//E。
Pure Storage目前的主力儲存產品中，只剩主打高效能應用路線的FlashArray//X與FlashArray//XL，仍維持採用TLC，其餘產品線都已全面採用QLC。
第3，Pure Storage對QLC的應用，採用深度的垂直整合形式。對於多數QLC儲存陣列廠商而言，都是直接使用SSD供應商提供的QLC SSD模組，但對於Pure Storage而言，則是使用自己專屬的DFM儲存模組（DirectFlash Module）。
DFM模組是單純只提供「裸」儲存空間的特製固態儲存模組，沒有一般SSD的快閃記憶體翻譯層（Flash Translation Layer，FTL），Pure Storage儲存陣列控制器運行的Purity儲存作業系統，可透過NVMe協定直接控制與存取DFM模組上的快閃記憶體單元，並執行原本由FTL層負責的空間映射、錯誤校正、寫入均衡等背景管理功能。
比起一般的SSD，Pure Storage宣稱採用DFM模組既可降低延遲、提高效能，由於DFM不執行垃圾收集，也能大幅減少寫入放大，比一般SSD改善幅度達10倍，有助於提升QLC耐用性與效能。
VAST Data
VAST Data是最早將QLC引進企業儲存平臺的先驅，他們的Universal Storage儲存平臺發表時間，還比Pure Storage的FlashArray//C系列早了幾個月。
Universal Storage是訴求高效能NAS與物件儲存應用的分散式儲存平臺，一反多數人對於QLC只適用於大容量低成本儲存、而不適合高效能應用的看法，大膽採用單一QLC SSD儲存層的架構，再結合高速的儲存級記憶體（SCM）作為存取緩衝與metadata存取，從而兼顧成本與效能。
當VAST Data在QLC應用取得成功之後，去年又傳出這家公司正在評估採用儲存密度更高的PLC快閃記憶體消息，希望藉此帶來額外20%儲存密度提升，以及進一步的儲存成本降低。
NetApp
NetApp是以「硬碟替代者」的路線，為其FAS與AFF兩大產品線先後導入了QLC SSD。
首先是在2020年底，NetApp在其FAS系列混合儲存陣列系列，推出採用QLC SSD的款式FAS500f。FAS原本是基於傳統硬碟與SSD的混合陣列，但FAS500f改以QLC SSD來取代1萬轉機械式硬碟，轉型成為全快閃組態，一方面因應1萬轉硬碟供貨逐漸減少的形勢，另一方面，改用QLC SSD也能提供更高的儲存密度與效能。
接著在2023年初，NetApp也在其AFF全快閃儲存陣列系列中，新增採用QLC SSD的AFF C系列，主要訴求是取代混合式陣列，比起基於硬碟與SSD混合架構的混合式陣列，可大幅節省儲存空間與能源消耗，成本則仍接近混合架構。
與同樣採用QLC SSD的FAS500f相比，AFF C系列擁有更高的擴展上限，但訴求的應用領域相近，若未來NetApp持續擴大QLC SSD的使用範圍，FAS與AFF系列的應用面向也會有更大重疊，最終可能會帶來進一步產品線重整。
IBM
IBM在2020年底舉行的Flash Memory Summit大會中，發表了旗下第1款應用QLC的產品，也就是用於搭配FlashSystem的第2代FCM儲存模組。接著在2022年初的FlashSystem產品線更新時，IBM又引進同樣基於QLC的第3代FCM儲存模組。
FCM是IBM專門訂製的固態儲存模組，與Pure Storage的DFM模組，並列為當前極少見的專屬儲存模組。憑藉專門訂製的優勢，IBM在FCM模組上採用了專屬的硬體架構，除了內含作為儲存空間的快閃記憶體，還搭載由內含Arm處理器的FPGA晶片、與MRAM記憶體構成的運算單元，不僅可緩解QLC的效能與耐用性，還能提供與FlashSystem深度整合的I/O加速與運算卸載功能。
第2代與第3代FCM儲存模組的基本配置基本相同，都是由QLC記憶體加上FPGA運算單元組成。
兩者規格上的主要差別是傳輸介面，第3代FCM的傳輸介面從PCIe 3.0升級為PCIe 4.0，存取架構也針對QLC進一步最佳化，搭配升級的FPGA運算單元，還能將壓縮與解壓縮效能，分別提升一倍與50%。
第2代FCM與第3代FCM模組都提供基於SLC模式的動態快取區域，並藉由與FlashSystem的Spectrum Virtualize儲存軟體整合，可利用SLC單元提供高效率讀取快取，並利用運算單元提供壓縮與加密運算卸載，得以兼顧提高效能、減少延遲、降低單位儲存成本等需求。
Dell
Dell對於QLC的應用相對比較保守，目前只在PowerScale系列NAS（前身是Isilon系列）的F900與F600等2款全快閃組態機型，提供QLC SSD的選項。
之所以為PowerScale系列引進QLC SSD，Dell的訴求，是在保持原有效能表現的前提下，提供更高的儲存密度、儲存容量，以及更低的成本、空間與功耗需求。Dell宣稱，改用QLC SSD以後，可以讓F900與F600提高2倍的擴展容量、2倍的儲存密度，以及減少一半的空間占用與每TB功耗，每TB單位儲存成本也降低19%。
除此之外，PowerScale對QLC SSD的寫入是透過緩衝記憶體的中介，以確保可靠性與耐用性。
Dell承認QLC的單位儲存成本仍高於近線型硬碟，不過若考慮儲存系統的整體持有成本（包括資料減量技術應用），他們認為QLC的單位成本其實已低於硬碟。這也賦予F900、F600等成本相對高昂的全快閃機型，具有與混合陣列機型競爭成本的能力。
DDN
不久前，DDN為A3I系列AI專用儲存陣列家族的旗艦機型AI400X2，新增改用QLC SSD的版本。DDN的QLC應用路線，與Dell比較接近，都是利用QLC提高既有全快閃儲存陣列的擴展能力、儲存密度與經濟性。
透過搭配使用最大容量達60TB的QLC SSD模組，使得AI400X2單一系統的有效容量提升15倍以上，占用空間則縮減2倍。
DDN表示，原本的TLC SSD版本AI400X2，擁有較佳的單位容量效能，QLC版的AI400X2則有較佳的單位容量成本，在相同容量時，成本比TLC SSD版本低了80%。
另一方面，AI400X2 QLC版雖然單位容量效能遜於AI400X2，但能「以量取勝」，憑藉提高15倍的總容量，總體效能比起TLC版仍提升10倍，讓QLC版AI400X2成為兼具效能與容量的選擇。
StorOne
StoreOne的QLC應用型態與VAST Data相似，他們的S1 : AFAn全快閃儲存平臺，同時結合SCM與QLC SSD（分別採用Intel Optane與Intel的QLC SSD），由基於SCM的DirectWrite寫入緩衝技術，取代以往儲存陣列基於DRAM的寫入快取，再結合QLC SSD做為後端的永久儲存層。
他們認為，透過SCM可確保寫入效能與安全性，寫入資料會透過循序方式轉存到QLC SSD，讀取則直接由QLC SSD來執行，透過這種架構，可利用SCM獲得高寫入效能，由QLC SSD提供充分的讀取效能與更低的儲存成本。
Nexsan
目前屬於StorCentric旗下的Nexsan，在QLC方面的應用走的是「硬碟替代」路線，Nextsan一向強調高儲存密度，他們最初便是以SATABoy、SATABeast等高密度儲存陣列在市場上成名，目前的主力產品E-Series與Beast系列儲存陣列家族，也都是主要強調高密度與低成本的入門級SAN儲存陣列產品線，支援TLC SSD與7200轉硬碟的混合架構。
而Nexsan在2020年初接連推出的E18F與E32F，以及Beast Elite F等3款機型，則以QLC SSD取代原本的7200轉機械式硬碟，從而顯著提高了儲存密度、效能與功耗。
Weka
Weka發展的WekaFS，原本是基於NVMe SSD打造而成的高效能分散式儲存平臺，WekaFS儲存節點本身配置NVMe SSD，以確保效能，但另可搭配外部的S3物件儲存空間，構成分層式儲存架構，實現空間配置的最佳化。而從去年年中發布的WekaFS 4.0起，則透過新增支援低成本的QLC NVMe SSD，無須掛載外部儲存空間，在本地端就能構成分層儲存架構。
Scality
Scality的RING分散式物件儲存平臺，是從2022年底發表的9.0版開始支援QLC SSD，提供更精細的分層儲存架構。
目前RING平臺可提供4個儲存層級，包括：NVMe SSD、高儲存密度SSD（如QLC）、傳統硬碟，以及雲端儲存層（磁帶或公有雲）。另外還能透過新的「儲存加速器（Storage Accelerator）」功能，將高效能的NVMe SSD，與低成本的QLC SSD、傳統硬碟，共同組成動態的分層儲存與資料保護架構，將不同類型儲存媒體與基於不同保護等級的儲存區（即不同的多複本複製與Erasure Coding設定），結合成具備不同效能與成本的本地端儲存層。至於雲端儲存層，主要作為長期備份與歸檔使用。
兩種應用路線帶來全快閃化未來
除了VAST Data這種一開始就是基於QLC打造的平臺，我們可以將既有企業級儲存陣列產品對QLC的引進，區分為2種發展路線。
一為「全快閃儲存產品的擴展」，例如Pure Storage、Dell、IBM、NetApp AFF C系列與DDN等，都是在原本全快閃儲存產品架構引進QLC，藉此提高容量、密度，並增強成本競爭力。
另一為「混合陣列的硬碟替代」，如NetApp FAS系列、Nexsan、Weka與Scality等，都是在原本的SSD+硬碟混合架構中，以QLC取代硬碟，藉此改善儲存密度與效能。
在這兩條發展路線的共同作用下，一方面，我們可以見到既有全快閃產品透過低成本的QLC，擴大應用面向與用戶接受度，而既有的混合陣列產品藉由QLC轉向全快閃化，最終促使企業儲存應用邁向全面的快閃化。
QLC的儲存密度與耐用性
QLC快閃記憶體每個單元可記錄4個位元的資料，儲存密度較MLC與TLC分別高出一倍與33%，但代價是寫入/抹除循環（P/E Cycles）壽命遠低於MLC與TLC。圖片來源／Intel
進步迅速的QLC SSD
我們以Intel的個人端QLC SSD產品660p、665p與670p為例，經過3個世代的發展後，這個系列的改進十分顯著，寫入耐用性提升85%，循序讀取與寫入效能提高95%與50%，隨機讀取與寫入效能也提高40%與54%。＊以2TB款式為比較基準。資料來源：Intel/Solidigm，iThome整理
快閃記憶體並非決定儲存系統效能唯一因素
快閃記憶體只是SSD裝置的一部分，SSD也是儲存陣列系統的一部分，所以QLC本身的特性，只是影響SSD與儲存陣列系統的因素之一。
如上圖的SSD基本組成架構所示，影響SSD效能的因素，包括了前端PCIe傳輸通道，SSD控制器的效能與韌體設計，以及SSD控制器與快閃記憶體單元的後端傳輸通道，然後才是快閃記憶體單元。所以QLC記憶體的效能與耐用性問題，在SSD層級上可透過多種機制來緩解。圖片來源／阿里雲
IBM基於QLC的FCM儲存模組
IBM是積極支援QLC快閃記憶體的儲存陣列廠商之一，2020年底發表的第2代FCM儲存模組開始採用QLC，2022年初又推出同樣採用QLC的第3代FCM模組。照片為第2代FCM模組的實際構成，左側為QLC快閃記憶體構成的儲存單元，右側是FPGA控制器與MRAM記憶體構成的運算單元。圖片來源／IBM
企業級儲存系統產品陸續導入QLC的時序
自Intel與美光於2018年5月發表首款QLC SSD後，自2019年初起，開始有廠商推出基於QLC的企業級儲存設備產品，2022年QLC儲存陣列產品開始增加，在2022年以後有了爆發性的增長。迄今已有超過10家廠商推出基於QLC的企業級儲存產品，相關產品已超過20款。
2018年5月 Intel與美光發表第1款QLC SSD
2019年2月 VAST Data發表Universal Storage儲存平臺
2019年9月 Pure Storage發表FlashArray//C儲存陣列
2020年2月 Nexsan推出E18F儲存陣列
2020年3月 Nexsan推出BEAST Elite F儲存陣列
2020年5月 Nexsan推出E32F儲存陣列
2020年6月 StorOne推出S1 : AFAn儲存陣列
2020年8月 Pure Storage發表第2代FlashArray//C儲存陣列
2020年10月 NetApp推出FAS500f儲存陣列
2020年11月 IBM發表搭配FlashSystem儲存陣列的第2代FCM模組
2021年3月 Pure Storage發表第3代FlashArray//C儲存陣列
2022年2月 IBM推出FlashSystem 7300/9500與第3代FCM模組
2022年3月 Dell為PowerScale系列NAS的F600/F900新增支援QLC SSD
2022年6月 Pure Storage發表FlashBlade//S物件儲存系統
2022年6月 Weka推出WekaFS 4.0版儲存軟體平臺新增支援QLC SSD
2022年11月 Scality推出RING 9.0版儲存軟體平臺新增支援QLC SSD
2023年2月 NetApp推出AFF C系列儲存陣列
2023年3月 Pure Storage發表FlashBlade//E物件儲存系統
2023年5月 DDN發表AI400X2分散式儲存系統QLC版本
2023年6月 Pure Storage發表FlashArray//E儲存陣列
資料來源：iThome整理，2023年7月
熱門新聞
2023-12-03
2024-04-24
2024-04-25
2024-04-26
2024-04-26
2024-04-25
2024-04-22