壽命制約QLC的發展,專訪糾錯方案服務商,如何破局!

前言：隨著5G逐步推廣，我們的想像邊際將被不斷擴大，物聯網、車聯網、人工智慧等領域將得到快速發展和普及，我們的生活也將被數字和運算包圍，存儲產業的發展將迎來新契機。IDC預測，到2023年全球數據總量將從2018年的33ZB增加到103ZB，2025年將進一步提高到175ZB，年複合增長率將達到61%。

為了滿足海量數據存儲需求，除了存儲介質的不斷創新，糾錯程序也扮演著日益重要的角色。在此背景下，中國快閃記憶體市場ChinaFlashMarket專訪了糾錯方案服務商Codelucida聯合創始人兼執行長Shiva Planjery，探討什麼樣的糾錯技術更能滿足未來大容量存儲需求以及Codelucida如何配合存儲產業的飛速發展？

「大數據時代」機遇與挑戰並存，低成本、高容量和高性能是未來存儲設備的發展方向

據中國快閃記憶體市場ChinaFlashMarket數據，2019年全球半導體存儲市場規模將達1100億美元，ZB級海量數據存儲需求帶動下，市場規模也必將呈快速增長。據IDC預測，2019-2025年中國存儲行業總體市場規模將保持每年7%以上複合增長率。

數據來源: IDC

雖然存儲市場發展前景光明可期，但前進的路上仍有很多挑戰克服。根據IDC數據，2018年產生的33ZB數據量中僅有5ZB保存下來，預計2023年產生的103ZB數據量中將只有12ZB被保存，數據保存率僅11.65%。未來大數據時代，數據將像石油一樣珍貴，是未來社會發展的基石，如此「低的數據保存率」需要存儲產業鏈企業通力合作，打通存儲領域的「任督二脈」。

縱觀全球六大核心原廠，到2019年，均已實現96層3D NAND量產，並向100+層3D NAND進軍。另一方面，TLC 3D NAND Flash已經成為主流存儲介質，威騰電子、美光、鎧俠（原東芝存儲器）、英特爾均已經將TLC技術應用到企業級市場，QLC開始登上歷史舞臺。

QLC「登場」，TLC 將「退居」企業級市場，高效糾錯程序成高密度快閃記憶體的「續命良藥」

近年來，3D NAND發展飛速，從2014年三星量產32層128Gb TLC快閃記憶體顆粒，到2019年全球六大核心原廠均實現96層3D NAND量產，且威騰電子宣布正式量產出貨96層QLC 3D NAND(單顆Die容量1.33Tb)，單顆Die的容量已經增長超過10倍。

在高容量、低成本的市場需求驅動下，QLC逐漸成為消費類市場「新寵」。在近期威騰電子召開的2019財年第四季度財務電話會議期間宣布已開始出貨基於96層堆疊3D QLC快閃記憶體的產品，首批用於零售產品和移動SSD；市場消息，英特爾也已經開始產品策略轉型，消費類產品將主推QLC+傲騰系列產品，TLC產品將主攻企業級市場；SK海力士也於今年5月份送樣1Tb QLC NAND樣品；三星在去年11月份發布了基於QLC技術的860 QVO SSD系列產品；美光也已經出貨基於QLC NAND的SSD產品；鎧俠（原東芝存儲器）早在2017年就研發出96層QLC技術，並積極推進QLC的普及。

LDPC糾錯加持下，TLC壽命「短板」逐步補齊，將大舉進軍企業級市場。NAND Flash從SLC發展到TLC、QLC，出錯概率隨著bit密度的增加而增大。自2014年三星發布全球首款面向企業級應用的TLC快閃記憶體固態硬碟「PM853T」之後，鎧俠（原東芝存儲器）英特爾、美光、SK海力士和威騰電子相繼推出企業級和數據中心市場應用的TLC固態硬碟。近日，威騰電子更是推出新款企業級SSD UltraStar DCSS540，其壽命和可靠性更是被外媒贊為「坦克級」，耐久度最高可達10DWPD。

來源：中國快閃記憶體市場ChinaFlashMarket

TLC壽命的改善離不開糾錯技術的發展。對於快閃記憶體技術如此飛速的發展，Shiva Planjery表示，「這是一個了不起的發展，主要由人工智慧，物聯網，大數據，數據分析等行業推動的更高容量存儲需求的發展，是NAND Flash製造商通過研發創新技術得以實現的。但是隨著技術的快速發展，堆疊層數的增加以及存儲密度的增加，我們需要繼續在所有支持技術上進行創新，以支持這種快速發展，這其中糾錯技術起著舉足輕重的作用，我們需要跟隨著行業的發展繼續創新。」

QLC時代，BCH糾錯已不能滿足需求，LDPC糾錯才是正解

眾所周知，QLC的P/E壽命僅為SLC的百分之一，隨著每個cell裡面電子數量的增多，擦寫磨損、讀寫幹擾、編程幹擾影響會更加顯著，當擦寫次數增加時，內存中的氧化物層就會被破壞，使得捕獲電子越來越困難，交叉概率增大。

來源：美光

LDPC糾錯最顯著的優勢是在NAND Flash每個Page中糾正更多的錯誤，減少NAND Flash無謂的寫入損耗，所以低密度奇偶校驗（LDPC）碼糾錯性能遠高於BCH，這也讓NAND Flash的使用壽命即P/E(可編程擦寫)次數得到大幅的提升，從而增強TLC SSD的使用壽命和耐用性。

Shiva Planjery表示，「回顧早期的NAND Flash時，回到SLC快閃記憶體和MLC快閃記憶體，存儲器本身不那麼容易出錯，它們是可靠的因此只需要簡單的糾錯方案。那時使用的糾錯技術稱為BCH的傳統糾錯。但是隨著3D NAND堆疊層數的不斷增加，且TLC和QLC技術的不斷發展，簡單的BCH糾錯方案已經不能滿足用戶的需求了，人們需要功耗更低、性能更強的LDPC解決方案，以便控制器能夠支持最新快閃記憶體技術的推廣和應用，不僅現在是這樣，未來隨著層數和密度的不斷增加，也同樣是這樣。」

高度擴展性、低功耗的FAID LDPC糾錯為高密度NAND快閃記憶體保駕護航

存儲技術的發展離不開糾錯技術，Shiva Planjery表示，隨著存儲單元所容納的Bit數量會越來越多，對算法的糾錯能力要求也會越來越高，通過高效的糾錯方案可以在一定程度上擴展NAND快閃記憶體的耐用性。不僅對當代存儲，對於下一代存儲產品來說也是一樣重要，隨著密度的不斷提高，同時性能要求也隨著從PCIE第3代到第4代，甚至是第5代的過渡而不斷提高，糾錯成為至關重要的組成部分，並將能夠啟用並支持所有最新一代的NAND快閃記憶體。」

Codelucida認為，傳統的LDPC解決方案可能消耗大量功率以滿足不斷增長的吞吐量要求，並傾向於依賴複雜的錯誤恢復方案和複雜的介質管理策略。特別是對於採用FPGA實現的快閃記憶體控制器，傳統的LDPC解決方案由於所需資源太大而無法滿足低成本FPGA的所需吞吐量，這對於在FPGA中實現快閃記憶體控制器的供應商來說是一項艱巨的挑戰。

對於大容量快閃記憶體晶片最佳的糾錯解決方案，Shiva Planjery表示，適用於高密度存儲的LDPC糾錯解決方案除了需要滿足最新NAND存儲的耐用性和保持力要求，還需要具有高度可擴展性，以便能夠在不要求過多功率和面積的情況下實現最高性能，滿足高可靠性、高容量和低功耗，而該解決方案的答案是Codelucida的 FAID LDPC糾錯技術。」

3D TLC糾錯性能

來源：Codelucida

3D QLC糾錯性能

來源：Codelucida

FAID使用獨特的專利編碼和解碼算法，這些算法本身更簡單但在糾錯能力方面更強，以滿足快閃記憶體的極低錯誤率要求。由FAID實現的解碼器和編碼器複雜度如下圖。吞吐量可以增加10倍，解碼器複雜度僅增加2倍。即使對於更高的吞吐量，編碼器複雜度仍保持相同，最多是解碼器複雜度的7％。

來源：Codelucida

與主流LDPC相比，FAID LDPC技術優勢！

Shiva Planjery解釋道，「與主流LDPC相比，FAID LDPC糾錯的主要區別在於算法。FAID基於獨特的編碼和解碼算法，這些算法是根據多年的研究開發的，與當今行業中使用的算法完全不同。它們本質上更簡單，因此它們可以降低硬體複雜性，但卻能夠實現最強大的糾錯能力。

與傳統的LDPC解決方案相比，Codelucida的 FAID的主要優勢包括：

單個 IP 核（單核）實例可實現 10 倍的吞吐量增長；

功耗和資源使用至少減少 2 倍，特別是對於高吞吐量應用；

糾錯能力增加 10％-15％，因此可得到原始誤碼率（RBER）的增加；

錯誤率降低四個數量級，大大降低了使用讀取重試或軟讀取的頻率，從而降低延遲提高了驅動器性能；

不使用LLR，這極大地簡化了快閃記憶體控制器的管理；

無誤碼平層可實現快閃記憶體存儲的極低錯誤率要求。

Codelucida：中國存儲產業快速發展，願助力中國建立存儲產業生態系統！

近年來，中國十分重視半導體產業的發展，也有一批優秀的廠商湧現出來。在存儲領域，以長江存儲和長鑫存儲為代表，其中長江存儲在今年9月份宣布量產基於Xtacking架構的64層3D NAND，長鑫存儲DRAM產品亦進展順利。

面對中國存儲行業如此快速的發展，Shiva Planjery表示，「對中國存儲行業的發展感到驚訝，如此多的支持和投資來全面開發本地製造的晶片和產品，從快閃記憶體控制器到SSD到存儲晶片，DRAM晶片以及整體完整的存儲系統。隨著行業迅速發展包括性能和密度不斷提高，高質量LDPC解決方案是必不可少的，這正是Codelucida的FAID解決方案的用武之地。」

Codelucida獨有的技術可支持這一行業的趨勢，並且在支持中國市場的增長中發揮至關重要的作用。Shiva Planjery支持並對中國發展本地生態系統的5年戰略計劃感到驚訝，Codelucida也將發揮重要作用，已經積極與多個客戶，中國的潛在客戶，中國的合作夥伴，及其它生態系統中的成員發展成為夥伴關係，期待一起建立並發展中國的存儲生態系統。