全面了解TLC NAND技术以及市场现状
固态硬盘以及闪存简介：
在过去的有关
固态硬盘的评测中，Anand网站都提及固态硬盘对系统性能提升最为明显。既然如此，我们为什么还要使用普通硬盘呢？很明显价格才是真正的原因。和普通硬盘相比，固态硬盘的价格还是高居不下（特别是泰国洪水之前）。因此，对很多人而言，选择固态硬盘并不算是十分明智的选择。
花费700美元买一块512GB容量的固态硬盘听起来够疯狂的，因为一块相同容量的普通硬盘的价格50美元都不到！64GB和128GB这些小容量的固态硬盘可以分别以100美元和200美元买来，但是除了固态硬盘你最好还得再配块普通硬盘，否则这么小容量的固态硬盘根本存贮不了多少东西。如果你的电脑是台式机，那么固态硬盘+普通硬盘的组合并不是什么大问题。但是大多数
笔记本电脑却只有容纳一块2.5英寸的硬盘（除非你选择把
光驱的也改造成硬盘。）。固态硬盘的价格已经开始下降，但是如果按照这样的下降速度，恐怕要想在沃尔玛买到一块配置一块容量可观的固态硬盘的399美元的电脑，您还得等上几个年头！
大多数情况下，固态硬盘是通过NAND核心（die)缩小来实现成本下降的。这个过程和CPU制作工艺相同：采用更小的生产工艺，比如从34纳米到25纳米制程。在闪存生产过程中，这意味着你可以增加每个核心的密度。与此同时，相同的容量下核心会更小，着意味着每一块晶圆能够生产更多NAND核心。缩小核心可以有效的降低成本，但是进程更新换代需要时间，并且这也需要价格不菲的成本。当新制程成熟后供求平衡后，价格就开始下降了！
正是由于核心缩小对于降低固态硬盘价格的影响相对缓慢，任何想把大容量固态硬盘变成主流产品的厂商都必须从别的方面想办法。而“三层存储单元”（Triple Level Cell，下文简称TLC）闪存正是厂商们想出来降低固态硬盘成本的方法之一。
TLC不是通过缩小核心来增加密度/容量，而是通过增加存储单元的存储数量。在我们网站一篇名为“固态硬盘文章选集”的文章里,ANAND讲述了单层存储单元(SLC)和多层存储单元(MLC)的工作原理，其实TLC的工作原理和它们几乎相同，只不过是某些产品细节方面多走了一步而已。一般说来，当有电流通过存储单元并且持续增加电压，当达到某一数值的时候，存储单元变从“关闭”的状态变成“开”的状态。这就是SLC闪存工作原理，没个存储单元存储一比特数据。MLC闪存使用的每个存储单元采用2比特数据。这种情况下，存储单元不是只有两种电压状态（0和1），而是有四种（(00, 01, 10, 11)）。TLC则是采用了每个存储单元存储3比特数据，从而有8种电压状态(000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, and 111)。我们将会在下一页文章里详细介绍电压状态以及工作原理。
尽管这三种技术工作原理相同，但是有一点最重要的区别。让我们来看一下当存储单元数据量发生变化时NAND array将会发生怎样的变化。上面这张图表是一个NAND array，160亿个晶体管。（每个晶体管作为一个存储单元，16Gb的存储量。）这个NAND阵列可以使用这三种技术。实际上晶体管数量相同，但是使用SLC技术，最终产品是16Gb的容量。而使用MLC技术最终产品容量为32Gb,使用TLC技术的产品容量为48Gb。
除此之外，TLC还有和其他两项技术不同的地方。硬盘容量一般都是2的N次方。（2,4,8,16以此类推。）但是48却不是2的N次方。为了能够找到一个是2的N次方的数值，最初的NAND阵列的容量也必须缩小。在我们的这个例子里，32Gb容量的三层存储单元固态硬盘的NAND阵列必须为10.67Gb。但是由于采用TLC的核心和MLC核心容量一样，每片核心的容量不变。但是实际的核心体积要更小，原因就是最初的16Gb的NAND阵列已经被缩减到10.7Gb，这就意味着每片晶圆可以容纳更多的核心，因此降低了成本。
TLC理论上的价格优势虽然不比SLC对MLC的价格优势那么明显，但是仍旧是不小的比例，大约是30%的成本降低。与采用SLC技术的固态硬盘相比，MLC固态硬盘的容量是其两倍。但是采用TLC技术的固态硬盘的容量仅仅比采用MLC技术的硬盘容量多50%。因此采用TLC技术的硬盘和采用MLC技术的硬盘的价格也是成比例的。TLC核心比MLC核心小33%，而OCZ提供的产品价格上来看，
TCL产品的价格也要比MLC产品的价格便宜33%。理论上，SLC产品价格算下来应该是1.8美元/GB,但是由于采用2x纳米制程的SLC核心数量有限，价格仍然要比MLC和TLC闪存高出不少。
综上所述，这三种产品的关系更加不明朗了。TLC NAND闪存的价格并不比MLC NAND闪存的价格便宜到哪去，这也许能够解释为什么在消费者固态硬盘市场采用这种技术的厂商并不多见。同时，缺少主控芯片的支持以及市场前景并不被看好，也是TLC闪存价格偏高的一个直接原因。
TLC的软肋：比MLC还要差
完美的理论世界里，增加存储单元的数据量听起来是增加硬盘容量从而降低生产成本的最容易的方案。那么，为什么不直接让没个存储单元能容纳1000比特的数据量呢？很遗憾的是，存储单元存储更多的数据是有很多缺陷的。
从根本上将，与SLC闪存相比，TLC存在着和MLC闪存一样的问题，而且是比MLC的问题更为严重。TLC要检测到8个电压状态，随即读取速度将会更耗时：TLC闪存将耗时100µs。SLC闪存随机读取仅用其四分之一的时间。而MLC闪存也只用其一半的时间就完成了任务。编程时间也不占优势，可惜的是，目前我们尚未有关TLC闪存编程时间的数据。
除了性能表现处于劣势之外，TLC闪存耐用性也很差。我们目前尚不清楚TLC闪存的准确的写入/擦除次数，但是我们估计的数值应该在1000次左右。海力士发布了48纳米TCL闪存的产品手册，写入/擦除次数是2500次。对于MLC闪存而言，采用3X纳米制程之后，写入/擦除次数也缩小至原来次数的一半。而采用2X纳米制程的闪存写入/擦除次数就会变的更少了，按照我们这样的计算方法，采用2X纳米制程TLC闪存的写入/擦除次数仅为750次左右了。而之前，X-blit Labs网站报道TLC闪存写入/擦除次数为1000次，听起来是很靠谱的。但是有一点值得注意，闪存的耐用性随着厂商以及生产工艺的成熟与否等因素的不同也会产生不同的数值。例如：第一款25纳米NAND闪存的写入/擦除次数仅为1000次左右，而如今主流厂商的写入/擦除次数都能达到3000次左右了。
但是为什么采用更大容量的NAND闪存的耐用性就更差呢？原因和硅的物理属性有关。想明白真正原因，我们需要重新看一下我们钟爱的 N-channel MOSFET。(N型金氧半场效应晶体管)
当你要写入数据，需要在控制栅极施加电压，而源极和漏极的电压都为0V。电压形成一个电场，这样电子就可以通过二氧化硅这层绝缘体从N通道进入到浮点栅极。这个过程通常也被成为“隧穿“。二氧化硅起到绝缘层的作用，在电场没有形成之前，电子是无法逃离或者进入浮点栅极的。想要删除存储单元，需要在P型半导体施加电压并且保持控制栅极的电压为0。电场形成后电子就可以通过二氧化硅层。这就是NAND闪存在重新写入新数据之前必须要删除原来数据的原因:你必须要先把原来的电子释放掉，然后才能重新进入电子。
但是这又和SLC，MLC已经TLC有什么关系呢？实际的MOSFET在这三种技术中都是相同的。但是请看一下这张表格。
SLC只需要两种状态，0和1。但是随着闪存单元容量的增加，你就需要更多的电压状态。MLC需要四种状态，而TLC需要八种状态。问题是二氧化硅绝缘层的厚度只有10纳米的厚度，它并不是永不磨损的金刚之躯。在每一次的”隧穿“之后，它都会有磨损。当二氧化硅最终破损后，原子键破裂。在”隧穿“过程中，电子可能会滞留在二氧化硅绝缘层，这就让这层的负电荷不断增加，使得控制栅极的电压受到影响。
首先，擦除数据变慢，这是因为要想施加较高电压需要更长的时间才能得以实现（电压不断增高的过程，知道合适的电压峰值被发现才算完成。）并且高电压会对氧化物造成更大的压力，从而使得氧化物更容易被击穿。擦除数据非常耗时，而为了能够保持性能，必须要借助固态硬盘整个block停止工作来实现。但是，这是有副作用的。写入数据就要相对快的多，因为由于电子陷落存储单元内已经存在了一些电压了!
这就能够看出SLC，MLC和TLC的差别了。每个存储单元包含数据的比特越少，单元内的电压空间就越大。换句话说，SLC能够容忍更多的电压状态的变化，因为它本身只有两种电压状态。但是在TLC闪存中，存储单元中有八种电压状态，这样硬盘的容错能力就十分有限了。
让我假设一下，一块SLC NAND 闪存可以承受0V-14V的电压，而要想写入数据（写入1），电压的临界峰值要达到4V-5V之间。同理，电压需要达到9V-10V来实现（写入0）。在上述的情形中，两种电压状态之间存在4V的空间。而同样的情形，在MLC NAND闪存中，状态之间的电压空间仅为2V。而TLC闪存的电压空间仅剩0.67V了。
当氧化层被击穿后，要想进行数据写入就需要更高的电压。SLC闪存只需要4V-6V的电压就能写入“0”。这仅仅意味着电压空间只是缩小了1V而已。这正是问题所在，SLC闪存拥有更大的电压空间，因此它能够容忍跟高的电压峰值变化，直到整个Block因为擦除数据过慢而停止工作。这就是SLC闪存拥有更高擦写次数的原因。用户可以删除或者写入数据的次数要更长。而TLC的电压容忍率最低，因此TLC闪存的擦写次数自然最低。
市场状况和主控芯片支持
让我们把情况说明白,TLC闪存一点都不算新鲜事物.海力士在2008年就生产出了采用48纳米制程容量为32Gb的TLC闪存核心。这些TLC闪存最初打算使用在优盘产品中，这样闪存的耐用性能在优盘中还算可以接受。绝大多数固态硬盘厂商在过去一年里都在准备生产TLC固态硬盘，但是目前为止我们尚未看到任何上市的产品。OCZ本打算在今年第一季度推出基于TLC闪存的固态硬盘，但是TLC闪存的价格并没有多大的竞争力。除非OZC能够在2比特MLC闪存中大幅降低成本，否则推出低性能的TLC固态硬盘并没有实际意义。
但是仍然有很多因素可以促使厂商选择TLC NAND闪存，这样会进一步降低成本，这样的产品尤其在面向使用频率不太频繁，尤其是是读写工作里较大的消费级产品中还是会有市场的。
英特尔意在推出低价的配置固态硬盘的超级本，而
苹果则是准备把主流Mac电脑的存储标配定为固态硬盘，这两个大厂家的幕后推动无疑是各大厂商的最大动力。MLCNAND闪存的价格最终能够会落到这个区间并且满足所有需求，但是毫无疑问，TLC闪存会加速这个进程。
TLC不需要主控和固件的支持。在消费级固态硬盘市场，只有OCZ很积极的宣布了其旗下的
Indilinx Everest主控将会支持3比特数据的NAND闪存。
对增加了一位数据量的存储单元，想设计主控芯片支持不像是更新产品目录表一样简单，也不是想当然的就能工作。因为主控芯片在使用TLC闪存的时候将会产生更频繁更严重的错误，纠错引擎（
ECC engine）也要做相应的更新。
使用周期和纠错功能比较表：（标示NAND闪存生产工艺）尽管纠错功能不断提升，但是对存储单元耐用性影响不大。
对于TLC NAND闪存而言，要尽量降低读写次数至关重要。由于本身的擦写次数有限，频繁的大量写入数据是TLC闪存不能承受的。对于大多数MLC固态硬盘而言，NAND闪存的耐用性并不是什么问题，但是对于TLC固态硬盘而言，耐用性却是其致命的软肋。
总结:
我们最后的总结有点复杂。一方面，消费者想要购买价格实惠的固态硬盘，毕竟与普通硬盘相比，固态硬盘的性能优势还是很明显的。即使使用了TLC闪存的固态硬盘，这种优势仍将存在。如果你能到苹果商店去体验一下MacBook Air 和Mac Pro，尽管MacBook Air的处理器的
主频更低，但是它的运行速度却要比Mac Pro快，这当然要得益其使用了固态硬盘。固态硬盘可以让一台被认为是旧古董的电脑焕发生机。这也是我们认为每个人都应该采用固态硬盘的原因。但是除非容量价格比能够达到合理的比例，否则固态硬盘并不会成为主流产品。而说到这，TLC闪存的优势就开始显露出来：采用TLC闪存的固态硬盘的价格将会很平民，没准将来可以便宜到大众可以接受的水平。（例如，每GB1美元的价格。） 而另一方面，我们担心成本的下降是以牺牲产品耐用性换来的。我们常常听人说，固态硬盘比普通硬盘更耐用。从读写次数来看，目前采用MLC NAND闪存的固态硬盘应该名副其实。但是也存在着很多固件问题，例如SF-2281固件导致蓝屏的问题以及英特尔320系列固态硬盘的8MB缺陷问题。这些问题都解决了，我们终于可以期待高性能、超耐用没问题的固态硬盘了。但是TLC闪存却需要新的逻辑控制器，而新的主控可能又会产生其他的固件问题。
最初的固态硬盘性能表现一般，但是还是要比大多数的普通硬盘快，尤其是在
寻道时间方面要远远优于普通硬盘。短短几年的时间里，固态硬盘的性能呈几何级的增长，即使是性能一般的固态硬盘，普通用户也几乎感觉不到它和最快固态硬盘的差距在哪。 人们需要高性能、超耐用和低成本的固态硬盘。但是TLC NAND固态硬盘可能要降低一个标准：耐用性。我们这里使用的是“可能”，毕竟读写次数并不是固态硬盘存在的全部意义所在。目前固态硬盘产业中，就像NAND闪存一样，硬盘的耐用性算法也开始符合摩尔定律的标准。这就是说，每一次随着存储单元核心的缩小，为了能够达到去前代制程相同的读写时间，固态硬盘的耐用性都得以改善。同时生产工艺的成熟也会使得固态硬盘读写次数增加。采用20纳米工艺的IMFT MLC闪存能够达到3000-5000次的读写次数，这个数值和采用25纳米工艺的IMFT MLC闪存读写次数一样。
好消息是，MLC闪存还在继续生产，但采用MLC闪存的固态硬盘的状况目前并不会有太多的改变。而TLC闪存却可以提供更多的选择。如果有人只是用电脑来查看一下邮件上网浏览一下网页，那么采用TLC闪存的固态硬盘就能轻松满足用户的这些基本需求。而对于大多数用户而言，采用TLC闪存的固态硬盘还是能够满足基本需求的。 除此之外，固态硬盘市场也发生了很大的变化。如果购买到了目前最好的固态硬盘，最好的称谓也持续不了多少时间。比如说，能持续四年的时间，那么在段时间内，固态硬盘市场已经发生了很大的变化。四年前，我们花费大约6百美元能够买到一块容量为16GB的固态硬盘。等到一块典型的固态硬盘到了该更换的时候，你将会考虑速度更快容量更大的固态硬盘，而且很有可能会以更低的价格买到。在过去的4年半左右的时间里，我们使用了性能经常落后于普通硬盘的16GB的固态硬盘，然后我们用170美元的价格就能买到一块容量为120GB的固态硬盘，而这款固态硬盘的在随机读取方面要远远超越了普通硬盘。如果未来四年也能按照这个态势发展的话，那么四年后我们期待能够出现容量为1TB的固态硬盘，传输速率甚至能够使多条通道的
PCIe饱和，而且价格会更低。但是我们还是希望这个进程不要太过猛烈，毕竟固态硬盘技术还有很大的改进空间。
至于采用TLC技术的固态硬盘，目前我们还不清楚何时第一款这样的产品才能面世。只要我们能够获得测试的样品，我们一定会认真测试一下这款产品，比较一下采用TLC固态硬盘与采用其他两种技术的硬盘差别到底有多大。[/td][/tr][/table]
