为什么TLC闪存比较慢

除了极个别MLCQLC型号,现在我们能够买到的固态硬盘基本都使用了TLC闪存,今天为大家介绍一些不为众人所知的TLC秘闻。

为什么TLC写入速度比较慢?

闪存用存储电子来记录和表达数据,存储电子的部件叫Floating Gate浮动栅极。通过在Control Gate控制栅极施加一个参考电压,并判断源极与漏极是否导通,就能判断浮动栅极中是否存储有电子,从而实现闪存中数据的读取。

东芝在1984年发明了NAND闪存,最早的NAND闪存属于SLC类型,即每个存储单元可以记录1比特数据。对于SLC闪存来说,闪存FT浮动栅极中有电子代表0,没有电子代表1。

闪存写入过程其实就是将一部分的1转换成0,即给FT浮动栅极"充入电子"。擦除过程就是将栅极的电子全部"放掉",使它们变回1。

给栅极"充电"的过程需要分步进行,逐渐增加"阈值电压",每进行一步就与预先定好的不同数据定义的分界线——"参考电压"进行一次对比。SLC的一个存储单元只需表达一个比特的数据,只要区分0和1就好,所以只需要用到一个参考电压。

而MLC闪存要表达2比特数据就需要区分11、01、00和10四种状态,用到四种参考电压。MLC闪存的写入过程因此变得比SLC慢许多。

到了TLC时代,每个存储单元需要记录3比特数据,二进制信息增加到8种,需要用到7种参考电压来隔离这8种状态。TLC的写入过程也就需要更多次的比对和确认,写入速度随之降的更低了。

为什么只有SLC缓存而没有MLC缓存?

pSLC Mode是将部分TLC闪存单元当作SLC使用,从而大幅提升短时突发写入速度的技术。同样的,将TLC临时当作MLC来操作就是pMLC mode。不过pMLC Mode很少被人提起,这是因为它看起来不如pSLC那样划算,下图是某闪存在不同模式下的数据指标:

虽然把TLC模拟成更高级的闪存使用能够缩短读取和写入所需时间,但每个闪存单元能容纳的数据也变少了,综合之后pMLC甚至有可能不如TLC读写速度快。不过pMLC的出错率较低,可以适应那些纠错能力比较低的闪存控制器,应用在部分工业用途当中。

3D堆叠有没有解决TLC的难题?

过去平面闪存使用FT浮动栅极层作为电子的容器,当代3D闪存主要使用CT电荷捕获层存储电子。下图是平面闪存与东芝BiCS三维闪存的结构对比:

由于BiCS结构增大了存储单元间隔,就可以增大单次编程序列的数据量来提升写入速度。同时,由于读写干扰降低,闪存数据出错率下降,BiCS也带来更高的写入/擦除循环次数,也就是我们平时说的"写入寿命"。

TLC写入速度的增长还可通过结构改进升级

TLC写入速度方面的短板主要依靠提升并发度来实现。目前一个闪存die通常具备两个Plane平面:

东芝计划在下一代BiCS5 96层堆叠3D闪存中将平面数量提高到4个,从而令闪存写入速度翻倍。

科技一直在进步,TLC虽然不美好,但似乎也没那么糟糕。

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