替代硬盘的低成本快闪储存装置：QLC开始进入企业储存应用

虽然在效能与寿命方面存有疑虑，但QLC NAND快闪记忆体仍开始大举进入企业储存阵列，以硬碟替代者的角色，推动企业储存进一步“快闪化”

继应用于SSD之后，QLC快闪记忆体也于近期开始为企业级储存阵列使用。

Intel与美光同时在2018年上半年，发表世界上最早的一批QLC SSD产品，时隔近两年后，不仅市场上的QLC SSD产品逐渐增加，Pure Storage与Nexsan等储存系统厂商，也在2019年底到2020年初之间，陆续推出基于QLC快闪记忆体的企业级储存阵列，因此，让QLC快闪记忆体的应用扩展，迈出了关键一步。

比预期更好的QLC快闪产品

打从研发阶段起，QLC快闪记忆体在寿命、可靠性与效能的疑虑，便是这种新型快闪记忆体最为人关注的议题。

QLC的每个单元可记录4个位元的资料，比TLC高出33%，更比MLC高出一倍，可提供更高的储存密度，但相对的，QLC需要控制16组电压状态，相较下，TLC与MLC只须控制8种与4种电压状态。因此QLC的写入机制更为复杂与缓慢，在可靠性、寿命与效能方面，先天上就存在局限，但这只是就基本原理的比较，对于实际的产品来说，便未必如此。

快闪记忆体的储存架构，只是影响SSD整体寿命的因素之一，QLC快闪记忆体的先天架构虽然不利于效能与寿命，但结合各式存取管理技术，构成完整的SSD产品后，QLC SSD的整体表现，其实不像原先预期那样差。

事实上，QLC SSD的先天架构虽然存在局限，但拜问世较晚之赐，可以应用更新颖的制程、改进的晶片堆叠架构，以及SLC快取等技术，比起同一世代的TLC产品，虽然有所不如，但比起前几个世代技术的MLC、TLC产品，实际上的表现已不逊色。

我们以Intel在2018年第3季推出的第1代资料中心级QLC SSD产品——基于3D QLC快闪记忆体的D5-P4320系列为例（7.68TB），这款产品的耐用性（PBW，生命周期总写入容量），相比于同时期推出的资料中心级TLC SSD如DC P4610，耐用性大约只有同容量TLC SSD的1/3，而在效能方面，QLC SSD的读取效能与TLC SSD相近，写入效能则有较大落差。

不过这是以同一世代产品的对比而言，若与上一世代的TLC SSD相比，则较晚推出的QLC SSD，耐用性与效能表现其实已经相差不远。

而且QLC SSD产品改进的速度十分迅速，以Intel的产品为例，在 2018年中推出的第1代入门级QLC SSD产品660p，之后不到一年时间、于2019年中发表的第2代产品665p，效能便有10%左右的提升，写入寿命更有50%的跃进。因此我们可以预期，QLC SSD的效能与寿命都还有很大的改善空间。

NAND Flash记忆体的发展，朝着更高储存密度、更低单位成本，但耐用性也更低的方向发展。例如，从SLC、MLC、TLC、QLC，以至刚推出的PLC，储存密度持续成长，但写入寿命也不断降低，因此，QLC与PLC也更依赖控制器的管理与超额配置等机制，来弥补先天寿命的缺陷。

QLC快闪记忆体藉由高储存密度与低单位成本优势，也更有利于提供SSD的超额容量配置（Over-Provisioning），来进一步改善效能与寿命。

依照美光的实测数据，比起完全不使用超额容量，预设5%超额容量，可使SSD寿命延长一倍，并提高100%的IOPS效能。事实上，多数SSD都提供了7%的超额容量配置，一些强调写入应用的SSD，则提供了20%以上的超额容量配置，有些储存设备还允许使用者自行设定超额容量。所谓的超额容量配置，就是系统保留的未使用空间，在额定容量耗尽时，可藉由将资料写入保留空间，从而让SSD避免执行会耗损效能与寿命的重新抹写作业。而利用这些额外空间，SSD不仅可以有效降低写入放大率（Write Amplification），也能更有效率地执行GC垃圾回收机制（garbage collection）、损耗均衡（wear-leveling） 与坏区管理（bad block management）等作业，从而延长SSD使用寿命，并提高写入效能。

然而，超额容量的使用，是以成本为代价，越高比例的超额容量配置，能带来更大幅度的效能与寿命改善，不过，成本也越高，虽然长期来看有效益，但用户必须付出较高的短期成本。

不过随着QLC这种低单位成本的快闪记忆体实用化，将可望缓解这个问题，让用户可以使用更高的超额容量配置，但又不致增加太多成本负担。

QLC NAND快闪记忆体每个单元可记录4个位元的资料，而MLC与TLC快闪记忆体的每个单元则只能记录2个位元与3个位元的资料，因而QLC快闪记忆体的储存密度较MLC与TLC分别高出一倍与33%，适合作为低成本的大容量储存装置，自2018年中起，开始被应用SSD上，接着又从2019年底扩散到储存阵列产品中，扮演替代硬碟的低成本快闪储存装置角色。

虽然QLC SSD的实际表现，可以接近低阶TLC SSD的层次，但目前的QLC SSD供应商，以及采用QLC SSD的储存阵列产品，都不是把QLC当作TLC的后继者，而是让其扮演传统机械式硬碟替代者的角色。在作为大容量储存应用时，QLC SSD可拥有与硬碟同等级的低廉成本，同时还有效能、空间与能耗的优势。

尽管QLC SSD的效能比不上TLC SSD，但依然高于传统的机械式硬碟，还拥有容量密度的优势，只需较少的数量，就能满足同样的效能与空间需求。

如Pure Storage与Nexsan这两家QLC快闪储存阵列的先驱厂商，都把他们的产品定位于二线大容量储存应用，而与基于TLC的第一线产品有所区隔。

然而，随着QLC快闪记忆体技术的持续改进，当前这种区分TLC与MLC用途的作法，很可能会产生变化，甚至重演几年前TLC取代MLC的历史。

距今不过4、5年，当时TLC快闪记忆体产品刚投入市场，在MLC与TLC之间，也存在着类似的应用区分——MLC拥有较佳的效能与寿命，TLC则在储存密度与成本方面居于优势。

但随着技术的演进，改进后的TLC，也具备足够的效能与寿命，这也促使厂商与用户们都趋向使用成本更低、储存密度更高的TLC，而TLC最终也取代了MLC的角色。

日后QLC很可能重演这样的发展，经过厂商进一步改进后，便能取代一部份TLC的角色，特别是在低阶快闪储存产品方面。