摘要:广大用户对固态硬盘(SSD)更快速度、更大容量的追求从未停歇,这也给NAND闪存制造商出了一道难题。从21世纪开始,基于NAND闪存的固态硬盘开始加速普及,当时的产品采用“每单元存储1 Bit数据”(Single-Level Cell)的设计,因此被简称为SL
广大用户对固态硬盘(SSD)更快速度、更大容量的追求从未停歇,这也给NAND闪存制造商出了一道难题。从21世纪开始,基于NAND闪存的固态硬盘开始加速普及,当时的产品采用“每单元存储1 Bit数据”(Single-Level Cell)的设计,因此被简称为SLC固态硬盘。然而,在单位平方毫米内提升存储字节数,很快就遭遇了物理极限——NAND芯片上的晶体管及其他电子结构的缩小幅度存在物理上限,一旦超出这个范围,数据位就无法被稳定存储。
为解决这一问题,闪存制造商采取了多项创新点子。一方面,他们开始采用堆叠式单元设计:将更多存储单元垂直堆叠,在不改变固态硬盘外形尺寸的前提下,大幅提升存储容量。另一方面,他们研发出单单元多比特存储技术:MLC(多层单元)可实现每单元存储2 Bit数据,TLC(三层单元)能存储3 Bit,而QLC(四层单元)则可存储4 Bit。从理论上看,这似乎是空间不变、容量倍增的完美方案,但实际应用中,新结构也带来了新问题:电子泄漏现象会导致数据留存不稳定,且更纤薄的结构易受损,使得硬盘的磨损度显著增加。
如今,SLC和MLC固态硬盘已几乎绝迹。这类产品制造成本高昂,且容量存在硬性上限,早已无法满足普通用户日益增长的数据存储需求,更不用说企业级场景的海量数据存储需求了。在剩余的TLC和QLC两种主流类型中,QLC曾因口碑不佳饱受争议——不过这部分负面评价,大多源于技术刚起步时的成长阵痛。如今情况已大不相同,业界不再对TLC硬盘一边倒地推荐,新一代QLC产品对多数用户而言已足够好用,这很大程度上要归功于制造工艺的持续改进。
所有固态硬盘的存储原理本质相通,若从“单层单元(SLC)”的结构入手理解,会更为直观。每个存储单元包含控制栅极、浮置栅极,以及一个作为电子源极与漏极的N沟道。当向单元的控制栅极施加电压时,电子会从N沟道被“拉”到浮置栅极中,而浮置栅极中存储的电荷状态,就是数据位的物理载体。
在SLC NAND闪存中,存储单元是串联连接的,这使得数据读取过程更为复杂:读取某个单元的数据时,需要激活该单元的控制栅极,同时向串联电路中其他所有单元施加约6伏的更高电压。此时浮置栅极仅需区分“有电荷”和“无电荷”两种状态,对应1 Bit数据的存储。而工程师们意识到,若能让浮置栅极承载更多种电荷状态,就能在单个单元中存储更多数据——MLC、TLC、QLC由此应运而生。
具体来看:MLC通过4种电荷状态实现每单元存储2 Bit数据;TLC需要区分8种电荷状态,对应每单元3 Bit数据;QLC则要通过16种不同的电荷状态,实现每单元4 Bit数据的存储。最终效果是:在不扩大物理设备体积的前提下,单单元存储数据量提升、单NAND芯片容量提升、整个固态硬盘的容量也随之大幅提升。
将更多数据塞进单个单元,除了带来容量优势,也引发了一系列问题。首先,QLC的耐用性远不及其他类型的NAND闪存,且对环境温度的敏感度更高;其次,电荷状态的增多增加了数据读取的复杂度——控制器需要更长时间判断单元的电荷状态,这直接导致硬盘的读写速度显著下降。
为缓解这一问题,制造商引入了“伪SLC缓存(pSLC缓存)”技术:将QLC闪存的一部分空间(通常占硬盘总容量的10%左右)临时用作SLC模式的存储区域,在数据传输过程中先将数据暂存于此,以此提升瞬时读写速度。
尽管早期QLC确实存在速度慢、可靠性存疑等问题,但随着技术成熟,如今普通用户已很难分辨TLC与QLC在日常使用中的差异。QLC早已不是劣等的选择——只要你选购的是近年推出的新款产品,并提前参考专业评测,我完全有信心推荐你使用QLC固态硬盘。
诚然,QLC NAND闪存的速度确实比SLC、MLC、TLC都慢,但这种速度差距在日常场景中几乎无法感知:无论是处理文档、浏览网页,还是运行游戏,QLC的表现都足够流畅——毕竟它的速度仍远超最快的机械硬盘。
如果你的QLC硬盘配备了DRAM缓存,速度还会进一步提升;而且固态硬盘也会默认利用部分系统内存作为缓存,进一步抵消了速度短板。只有在超低延迟需求场景(如专业视频渲染)或“高IOPS需求场景”(如数据库高频检索)中,QLC的速度劣势才可能显现。
此外,固态硬盘控制器的品质也至关重要——这也是我建议选择美光(Crucial)、三星(Samsung)、金士顿(Kingston)、SK海力士等知名品牌QLC硬盘的原因。虽然重写入任务仍可能导致QLC速度下降,但大多数用户的日常使用以读操作为主(如打开文件、加载游戏),QLC完全能满足这类场景的需求。
还有一个事实:如今的数据中心已广泛采用QLC NAND闪存,企业用户对技术选型的挑剔程度远高于普通消费者,若QLC真的不堪用,即便TLC成本更高、容量更低,企业也不会选择QLC。
如今的QLC固态硬盘,虽然与早期产品相比已不可同日而语,但目前它尚存的两个明显短板是:
·需要保留足够多的空闲空间供伪SLC缓存使用——若空闲空间不足,硬盘速度会显著下降。比如三星870 QVO的伪SLC缓存容量约占总容量的20%(如8TB型号缓存约1.6TB),顺序写入速度可达530MB/s,当剩余空间不足时,缓存无法有效回收,被迫进入QLC原生写入模式(速度仅200MB/s左右)。
·使用寿命问题——理论上QLC的擦写寿命较短,但我个人尚未遇到过QLC固态硬盘因磨损导致的故障,从实际应用来看,如果普通用户日均写入量约50GB~100GB,那么1TB QLC硬盘(TBW约200TB)可满足4~6年使用需求,也许是我的数据写入量没有硬盘更换的速度快,老旧硬盘在出现故障之前就已经被淘汰了。只要控制器的设计合理,且配备了完善的磨损均衡等优化技术,选择QLC固态硬盘应对大多数日常任务,完全无需担忧。
来源:简明科学指南