TLC 快閃記憶體顆粒為什麼不好?

2021-01-07 IT之家

蘋果在目前的64GB/128GB iPhone6/iPhone6 Plus機型中使用了SK Hynix,Toshiba和SanDisk的TLC快閃記憶體晶片,而這被認定為iPhone 6頻繁閃退,重啟死機的主因(官方未承認)。

那麼什麼是TLC呢?

TLC是一種快閃記憶體顆粒的存儲單元,它的英文是TLC = Trinary-Level Cell,即3bit/cell。在TLC發明之前,固態硬碟大部分採用SLC和MLC,即Single-Level Cell單層單元和Multi-Level Cell多層單元。早在去年三星840evo固態硬碟就採用了TLC晶片,後來被發現存在老數據讀取速度下降的問題,三星堅稱,問題源於快閃記憶體管理算法失誤,並不是TLC快閃記憶體顆粒的毛病。

目前來說,大部分的固態硬碟採用MLC顆粒,極少高端的產品採用SLC顆粒,因為價格的問題部分入門級固態硬碟採用了TLC顆粒。從成本採購上來看,TLC的價格相對於MLC來說要便宜不少,更別提是SLC。

為什麼TLC不好呢?

在小編之前的測試中,尤其是固態硬碟的讀寫速度上,採用TLC晶片的三星840evo和採用MLC的金士頓在讀取速度方面幾乎都超過了180MB/s,從簡單的速度測試上兩者的性能並沒有差。但其實工作原理決定著TLC有致命的硬傷。

壽命

存取原理上SLC架構是0和1兩個充電值,即每Cell只能存取1bit數據,有點兒類似於開關電路,雖然簡單卻非常穩定。MLC架構可以一次儲存4個充電值(00, 01, 10, 11),因此擁有比較好的存儲密度,TLC能一次性存儲8個充點值(000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, and 111),因此密度更高,當然成本更低。

壽命問題就是因為它的工作原理上:

當你要寫入數據,需要在控制柵極施加電壓,而源極和漏極的電壓都為0V。電壓形成一個電場,這樣電子就可以通過二氧化矽這層絕緣體從N通道進入到浮點柵極。這個過程通常也被成為「隧穿」。想要刪除存儲單元,需要在P型半導體施加電壓並且保持控制柵極的電壓為0。電場形成後電子就可以通過二氧化矽層。這就是NAND快閃記憶體在重新寫入新數據之前必須要刪除原來數據的原因:你必須要先把原來的電子釋放掉,然後才能重新進入電子。問題是二氧化矽絕緣層的厚度只有10納米的厚度,它並不是永不磨損的金剛之軀。在每一次的「隧穿」之後,它都會有磨損。當二氧化矽最終破損後,原子鍵破裂。

SLC能夠容忍更多的電壓狀態的變化,因為它本身只有兩種電壓狀態。但是在TLC快閃記憶體中,存儲單元中有八種電壓狀態,這樣硬碟的容錯能力就十分有限了。這正是問題所在,SLC快閃記憶體擁有更大的電壓空間,因此它能夠容忍跟高的電壓峰值變化,直到整個Block因為擦除數據過慢而停止工作。

這就是SLC快閃記憶體擁有更高擦寫次數的原因。用戶可以刪除或者寫入數據的次數要更長。而TLC的電壓容忍率最低,因此TLC快閃記憶體的擦寫次數自然最低。所以目前大多數的TLC的寫入次數只有1000次左右。耐用性(壽命)正是TLC的致命軟肋。

當然壽命可以通過控制晶片校驗和智能磨損平衡技術算法,使得每個存儲單元的寫入次數可以平均分攤,但對於TLC而言這還不足夠好。依舊再用840evo舉例,國外有達人做個一個耐用性測試,編程/擦寫循環(P/E)次數大概是1064次,也就是說250GB的終生數據寫入量也就在270TB左右。

▲三星840系列使用的是自家的21nm製程ToggleDDR2.0TLC快閃記憶體顆粒

128GB iPhone 6就算你用三年,你能寫入數據達到130TB嗎?這或許就是膽大的蘋果敢使用TLC的主要原因。不過據說,蘋果最近也在考慮更換TLC快閃記憶體的事情,當然一切還沒有最終的消息。

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