正文内容 评论(0

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
2012-10-09 13:19:26  出处:快科技 作者:上方文Q 编辑:上方文Q     评论(0)点击可以复制本篇文章的标题和链接

三星的两个新系列固态硬盘中,840 Pro继承了830的优良传统,各方面都几乎堪称完美,而定位主流市场的840系列因为第一次采用TLC NAND闪存而备受关注。这种闪存的可靠性和寿命指标都更低一些,从而引发了耐用性方面的担忧。那么,TLC闪存真的不怎么样么?840固态硬盘的各方面表现又是如何?AnandTech近日对一块840 250GB进行了详细的评测。

【TLC闪存简析】

OCZ其实曾经表达过对TLC NAND闪存的兴趣,但拥有自家工厂的三星显然走在了前列,想要的时候随时可以生产出来,OCZ就只能眼巴巴地等着了。

TLC的全称为“Triple Level Cell”,也就是三层单元,而目前在消费领域广泛使用的SLC、MLC则分别是Single Level Cell(单层单元)、Multi Level Cell(多层单元)。三者在物理上很相似,都有类似的晶体管组成,唯一的区别就是每个单元存储的数据比特(位)不一样,其中SLC只有一个,MLC是两个,TLC则是三个。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

举例来说,同样是172亿个晶体管的原始NAND阵列,SLC闪存只能得到16Gb容量,MLC就能翻番到32Gb,TLC则可达48Gb。

这就造成了一个小小的问题,因为固态硬盘容量都是以2的倍数增加的,比如64GB、128GB、256GB这样一路走下来,TLC却是3的倍数。虽然制造一个48Gb的NAND Die没有任何技术问题,但是从市场营销和工程的角度来讲,2的倍数显然更“好”一些,TLC闪存也应该是32Gb才好,为此只要将内核的晶体管数量削减到115亿个就行了。当然了,32Gb不是3的整数倍,但因为需要额外预留一些冗余空间,这就不是问题了,比如128GB TLC固态硬盘的实际闪存容量约为137.4GB,差的那些就做冗余去了。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

这样一来,同样容量的TLC闪存要比MLC闪存小一些,每块晶圆的切割数量就更多了,成本也自然就下来了。

根据OCZ提供的数据,每GB SLC的价格为3美元,MLC能降到0.9美元,TLC就只需0.6美元。

【TLC闪存为什么不耐用?】

三星并未公布TLC闪存的确切读取、编程和擦写时间指标,只说比MLC闪存低大约50%,所以这三项都是猜测的,但是编程/擦写次数确定是1000,MLC的三分之一,SLC的百分之一。为什么会这么低?(这也是用户最为关注的焦点)

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

下图是一个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。在对一个闪存单元编程的时候,电压加到控制栅极(control gate)上,形成一个电场,让电子穿过硅氧化物栅栏,达到浮动栅极(floating gate)。穿越过程完成后,控制栅极上的电压会立刻降回零,硅氧化物就扮演了一个绝缘层的角色。单元的擦除过程类似,只不过电压加在硅基底(P-well)上。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

SLC、MLC、TLC三种闪存的MOSFET是完全一样的,区别在于如何对单元进行编程。SLC要么编程,要么不编程,状态只能是0、1。MLC每个单元存储俩比特,状态就有四种00、01、10、11,电压状态对应也有四种。TLC每个单元三个比特,状态就有八种了(000、001、010、100、011、101、110、111)。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

说这些和耐用性有什么关系呢?问题在于,闪存单元每次编程或擦除的电子穿越过程都会导致硅氧化物的损耗。这东西本来就只有区区10纳米的厚度,每进行一次电子穿越就会变薄一些。也正因为如此,随着半导体工艺的进步,硅氧化物越来越薄,耐用性自然就更差了。

硅氧化物损耗得差不多之后,原子键就会断裂,部分电子可能会在穿越过程中被困在氧化物中,导致负电荷积累,使得闪存单元再次编程的时候抵消控制栅极的部分电压。擦写时间也会因此延长,因为在达到何时的电压之前需要更长时间、更高的加压。

记住,主控制器是无法改变编程和擦写电压的(部分可以后文再说)。如果原本设计的电压值工作异常,主控就会尝试不同的电压,这自然需要时间,也会给硅氧化物带来更多压力。

简单地说,SLC的电压状态最少,可以容忍电压的更大变化,MLC的四种状态也基本可以接受,TLC的八种就太多了,电压可变余地很小。在不清楚确切的所需电压之时,就不得不将同样的电压分成八份(SLC、MLC分别只要两份和四份)。在使用过程中,编程和擦写一个TLC闪存单元所需要的时间也越来越长,最终达到严重影响性能、无法接受的地步,闪存区块也就废了。

另外,随着闪存的磨损,所需要的ECC错误校验也越来越多,因为错误的发生几率更高了。这对于TLC又是一个麻烦,因为需要纠正的数据比特多达三个。虽然如今的ECC引擎都很强大了,但到使用后期,与其费劲纠正错误,还不如直接废了整个区块。

【TLC硬盘真的不够用么?】

完美的磨损均衡和写入放大系数应该是1x,三星840 250GB固态硬盘的终生写入量就是256TB,编程/擦写次数1000,只可惜完美是不存在的。得出确切的使用寿命是很难的,毕竟每个用户的情况都不一样,不过一般人平均每天写入量不会超过10GB,那么一年就是3.65TB,只相当于256TB写入总量的1.4%。

当然了,NAND闪存写入量实际要大于主控写入量(这就是系数不同),但即便写入放大系数为10x,每年也就36.5TB,编程/擦写次数大约143,算下来依然能用七年,即便是120GB型号也能用三年半。虽然这之后同类型MLC闪存硬盘的三分之一,但考虑到PC产品的更新换代频率,一般来说也完全足够用了,只不过寿命后期的性能会差一些。

三星也很明智地没有提供60GB型号,毕竟其理论使用寿命不会超过两年,质保时间可是三年呢。 

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

但这还没完,低耐久度的闪存还有个救命的DSP(数字信号处理)

DSP在这里的基本概念很简单:读取电压变化,适应它。前文提过,NAND磨损时电压会发生变化,如果主控无法适应这种变化,NAND的压力就会增大,每次尝试编程或擦写的时候都会加剧磨损,所以这种猜猜试试的过程很伤闪存。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

然而,如果主控能够读取到编程/擦写电压的变化,就很容易知道所需要的确切值,从而减轻NAND的压力和磨损,可以坚持使用更长时间。尽管DSP不是救世主,但至少能在很大程度上延缓寿命。

DSP到底有多大实际作用也很难说,但是STEC宣称它们的CellCare技术能将MLC的编程/擦写次数从一般的3000提高到最多60000,也就是增加20倍,有些非官方数据甚至声称可做到100000次。刨去其中水分不谈,DSP的作用也应该是很明显的。

【来见识三星840 250GB】

840系列有120GB、250GB、500GB三种容量型号,其实闪存容量和840 Pro系列一样都是128GB、256GB、512GB,只不过冗余需求更高而已。

三者的具体规格如下:

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

840、840 Pro、830系列对比如下(注意840 Pro是五年质保):

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

更详细的介绍可以参考此前的文章

840的外观和840 Pro几乎一模一样,正面根本分不出来,只能看背面标签。厚度同样是7毫米。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

内部PCB设计也基本一致,只是闪存颗粒不同。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

【随机读写性能】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
随机读取:中上游水平

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
随机写入:队列深度较低的时候也可以接受

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
随机写入(QD=32):队列深度提高后有些惨不忍睹,可能和固件有关而不是闪存本身

【持续读写性能】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
持续读取:意外夺魁,甚至高于840 Pro,得益于三星专注于读取的固件

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
持续写入:非常非常惨,但既然三星宣称才250MB/s,这样的成绩也凑合了

【AS-SSD不可压缩随机读写性能】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
持续读取:依然彪悍

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战
持续写入:意料之中的凄凉

【性能与传输尺寸关系】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

840在传输尺寸较小的时候性能不错,也是很多产品忽视的地方。较大的时候读取很好,但写入只有250MB/s左右。

【AnandTech Storage Bench 2011:高负载】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

【AnandTech Storage Bench 2011:低负载】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

【耐用性与TRIM】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

干净的时候,平均写入略超250MB/s。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

折磨仅仅20分钟后,平均写入就只剩下47MB/s,最低甚至仅有25MB/s。要想避免这种情况,一种办法是保留尽可能多的空闲空间,一般不应少于20%,TLC的更是最好要有30%。换句话,250GB的存放数据量不要超过180GB。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

接下来闲置50分钟,写入完全恢复,但奇怪的是读取反而下来了,最低仅有350MB/s,而原来正常的时候是425MB/s以上的。 

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

安全擦除、填满、折磨20分钟,再立刻TRIM,写入性能也很奇怪,虽然最后恢复到了250MB/s,但开始的时候只有150MB/s,平均刚刚超过200MB/s。

考虑到TRIM垃圾回收是依赖于主控的,以及TLC闪存编程/擦写延迟更高,原因可能是840的垃圾回收过程比一般的更慢,或者因为编程/擦写循环次数更少,840刻意有所保留,不敢随便TRIM。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

最后再次TRIM,性能恢复如常。

【功耗】

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

待机时和840 Pro完全相同,都是各款中最低的。

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

TLC NAND闪存真的很挫么?三星840 SSD实战

写入操作功耗高了不少。考虑到TLC闪存本身的特点,这也是正常,但估计也有固件和产品划分方面的缘故。

【结语:扎扎实实的一分钱一分货】

840系列使用TLC NAND闪存的做法相信很多人都抱着怀疑的态度。在此之前,TLC闪存常用于U盘、廉价平板等低成本设备,从未用于高性能的固态硬盘。

不过在进行了长达一个星期的各种测试之后,AnandTech的评测人员表示很意外,TLD闪存并没有很多人想象中的那么差劲,实际表现也超出了本来不高的期望,非常适合对性能要求不是很高、平常应用负载也比较轻的用户。总的来说,它要比大多数上一代MLC固态硬盘更快一些,这自然要感谢三星的主控和固件技术,弥补了TLC本身的短板。

当然了,产品的规格和市场定位都是一一对应的,你不可能指望TLC闪存有着多么彪悍的表现,这样的成绩已经完全对得起它了。

尽管长期可靠性仍有待观察,但至少目前看来,三星的尝试绝对算是成功了,也提高了廉价固态硬盘的性能标杆,也为固态硬盘低价普及注入了新的活力。

以往想要便宜的固态硬盘,要么牺牲容量,被迫使用SSD+HDD的双硬盘方案,要么牺牲性能,固态存储体验很糟糕。现在有了TLC 840,我们就有了价格上不贵,性能上不错,特性上也很全面的入门级固态硬盘。

三星第一个使用TLC闪存也暗示,三星正在固态硬盘上加大发力,从以往的默默无闻向积极进取方向转变。握有充裕的闪存生产资源也使得三星可以在这方面做得更加从容。

【本文结束】如需转载请务必注明出处:快科技

责任编辑:

  • 支持打赏
  • 支持0

  • 反对

  • 打赏

文章价值打分

当前文章打分0 分,共有0人打分
  • 分享好友:
  • |
本文收录在
#三星

  • 热门文章
  • 换一波

  • 好物推荐
  • 换一波

  • 关注我们

  • 微博

    微博:快科技官方

    快科技官方微博
  • 今日头条

    今日头条:快科技

    带来硬件软件、手机数码最快资讯!
  • 抖音

    抖音:kkjcn

    科技快讯、手机开箱、产品体验、应用推荐...