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繼應用於SSD之後,QLC快閃記憶體也於近期開始為企業級儲存陣列使用。

Intel與美光同時在2018年上半年,發表世界上最早的一批QLC SSD產品,時隔近兩年後,不僅市場上的QLC SSD產品逐漸增加,Pure Storage與Nexsan等儲存系統廠商,也在2019年底到2020年初之間,陸續推出基於QLC快閃記憶體的企業級儲存陣列,因此,讓QLC快閃記憶體的應用擴展,邁出了關鍵一步。

比預期更好的QLC快閃產品

打從研發階段起,QLC快閃記憶體在壽命、可靠性與效能的疑慮,便是這種新型快閃記憶體最為人關注的議題。

QLC的每個單元可記錄4個位元的資料,比TLC高出33%,更比MLC高出一倍,可提供更高的儲存密度,但相對的,QLC需要控制16組電壓狀態,相較下,TLC與MLC只須控制8種與4種電壓狀態。因此QLC的寫入機制更為複雜與緩慢,在可靠性、壽命與效能方面,先天上就存在局限,但這只是就基本原理的比較,對於實際的產品來說,便未必如此。

快閃記憶體的儲存架構,只是影響SSD整體壽命的因素之一,QLC快閃記憶體的先天架構雖然不利於效能與壽命,但結合各式存取管理技術,構成完整的SSD產品後,QLC SSD的整體表現,其實不像原先預期那樣差。

事實上,QLC SSD的先天架構雖然存在局限,但拜問世較晚之賜,可以應用更新穎的製程、改進的晶片堆疊架構,以及SLC快取等技術,比起同一世代的TLC產品,雖然有所不如,但比起前幾個世代技術的MLC、TLC產品,實際上的表現已不遜色。

我們以Intel在2018年第3季推出的第1代資料中心級QLC SSD產品——基於3D QLC快閃記憶體的D5-P4320系列為例(7.68TB),這款產品的耐用性(PBW,生命週期總寫入容量),相比於同時期推出的資料中心級TLC SSD如DC P4610,耐用性大約只有同容量TLC SSD的1/3,而在效能方面,QLC SSD的讀取效能與TLC SSD相近,寫入效能則有較大落差。

不過這是以同一世代產品的對比而言,若與上一世代的TLC SSD相比,則較晚推出的QLC SSD,耐用性與效能表現其實已經相差不遠。

而且QLC SSD產品改進的速度十分迅速,以Intel的產品為例,在 2018年中推出的第1代入門級QLC SSD產品660p,之後不到一年時間、於2019年中發表的第2代產品665p,效能便有10%左右的提升,寫入壽命更有50%的躍進。因此我們可以預期,QLC SSD的效能與壽命都還有很大的改善空間。

【比較不同類型快閃記憶體的寫入壽命】NAND Flash記憶體的發展,朝著更高儲存密度、更低單位成本,但耐用性也更低的方向發展。例如,從SLC、MLC、TLC、QLC,以至剛推出的PLC,儲存密度持續成長,但寫入壽命也不斷降低,因此,QLC與PLC也更依賴控制器的管理與超額配置等機制,來彌補先天壽命的缺陷。圖片來源/WD

QLC更有利於超額容量配置

QLC快閃記憶體藉由高儲存密度與低單位成本優勢,也更有利於提供SSD的超額容量配置(Over-Provisioning),來進一步改善效能與壽命。

依照美光的實測數據,比起完全不使用超額容量,預設5%超額容量,可使SSD壽命延長一倍,並提高100%的IOPS效能。事實上,多數SSD都提供了7%的超額容量配置,一些強調寫入應用的SSD,則提供了20%以上的超額容量配置,有些儲存設備還允許使用者自行設定超額容量。所謂的超額容量配置,就是系統保留的未使用空間,在額定容量耗盡時,可藉由將資料寫入保留空間,從而讓SSD避免執行會耗損效能與壽命的重新抹寫作業。而利用這些額外空間,SSD不僅可以有效降低寫入放大率(Write Amplification),也能更有效率地執行GC垃圾回收機制(garbage collection)、損耗均衡(wear-leveling) 與壞區管理(bad block management)等作業,從而延長SSD使用壽命,並提高寫入效能。

然而,超額容量的使用,是以成本為代價,越高比例的超額容量配置,能帶來更大幅度的效能與壽命改善,不過,成本也越高,雖然長期來看有效益,但用戶必須付出較高的短期成本。

不過隨著QLC這種低單位成本的快閃記憶體實用化,將可望緩解這個問題,讓用戶可以使用更高的超額容量配置,但又不致增加太多成本負擔。

【QLC快閃記憶體提供更高儲存密度】QLC NAND快閃記憶體每個單元可記錄4個位元的資料,而MLC與TLC快閃記憶體的每個單元則只能記錄2個位元與3個位元的資料,因而QLC快閃記憶體的儲存密度較MLC與TLC分別高出一倍與33%,適合作為低成本的大容量儲存裝置,自2018年中起,開始被應用SSD上,接著又從2019年底擴散到儲存陣列產品中,扮演替代硬碟的低成本快閃儲存裝置角色。(圖片來源/Intel)

QLC不僅止於傳統硬碟的替代者

雖然QLC SSD的實際表現,可以接近低階TLC SSD的層次,但目前的QLC SSD供應商,以及採用QLC SSD的儲存陣列產品,都不是把QLC當作TLC的後繼者,而是讓其扮演傳統機械式硬碟替代者的角色。在作為大容量儲存應用時,QLC SSD可擁有與硬碟同等級的低廉成本,同時還有效能、空間與能耗的優勢。

儘管QLC SSD的效能比不上TLC SSD,但依然高於傳統的機械式硬碟,還擁有容量密度的優勢,只需較少的數量,就能滿足同樣的效能與空間需求。

如Pure Storage與Nexsan這兩家QLC快閃儲存陣列的先驅廠商,都把他們的產品定位於二線大容量儲存應用,而與基於TLC的第一線產品有所區隔。

然而,隨著QLC快閃記憶體技術的持續改進,當前這種區分TLC與MLC用途的作法,很可能會產生變化,甚至重演幾年前TLC取代MLC的歷史。

距今不過4、5年,當時TLC快閃記憶體產品剛投入市場,在MLC與TLC之間,也存在著類似的應用區分——MLC擁有較佳的效能與壽命,TLC則在儲存密度與成本方面居於優勢。

但隨著技術的演進,改進後的TLC,也具備足夠的效能與壽命,這也促使廠商與用戶們都趨向使用成本更低、儲存密度更高的TLC,而TLC最終也取代了MLC的角色。

日後QLC很可能重演這樣的發展,經過廠商進一步改進後,便能取代一部份TLC的角色,特別是在低階快閃儲存產品方面。


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