Hiểu rõ sự khác biệt giữa các loại Chip SSD khác nhau của NAND Flash SLC, MLC, TLC, QLC

Tên đầy đủ của NAND Flash là Flash Memory, thuộc loại thiết bị bộ nhớ non-volatile (Non-volatile Memory Device).Nó dựa trên thiết kế bóng bán dẫn cổng nổi và điện tích được chốt qua cổng nổi.Vì cổng nổi được cách ly về điện nên các Electron đến cổng sẽ bị giữ lại ngay cả sau khi cắt điện áp.Đây là lý do cơ bản cho sự không biến động của flash.Dữ liệu được lưu trữ trong các thiết bị như vậy và sẽ không bị mất ngay cả khi tắt nguồn.
Theo công nghệ nano khác nhau, NAND Flash đã trải qua quá trình chuyển đổi từ SLC sang MLC, sau đó sang TLC và đang hướng tới QLC.NAND Flash được sử dụng rộng rãi trong eMMC/eMCP, đĩa U, SSD, ô tô, Internet of Things và các lĩnh vực khác do dung lượng lớn và tốc độ ghi nhanh.

SLC (tên đầy đủ tiếng Anh (Single-Level Cell – SLC) là kho lưu trữ một cấp
Đặc điểm của công nghệ SLC là màng oxit giữa cổng nổi và nguồn mỏng hơn.Khi ghi dữ liệu, điện tích được lưu trữ có thể được loại bỏ bằng cách đặt một điện áp vào điện tích của cổng nổi rồi truyền qua nguồn., nghĩa là chỉ có hai thay đổi điện áp 0 và 1 có thể lưu trữ 1 đơn vị thông tin, tức là 1 bit/ô, được đặc trưng bởi tốc độ nhanh, tuổi thọ cao và hiệu suất mạnh mẽ.Nhược điểm là công suất thấp và giá thành cao.

MLC (tên đầy đủ tiếng Anh Multi-Level Cell – MLC) là bộ lưu trữ nhiều lớp
Intel (Intel) lần đầu tiên phát triển thành công MLC vào tháng 9 năm 1997. Chức năng của nó là lưu trữ hai đơn vị thông tin vào Cổng nổi (phần lưu trữ điện tích trong ô nhớ flash), sau đó sử dụng điện tích có các điện thế khác nhau (Cấp độ ), Đọc và ghi chính xác thông qua điều khiển điện áp được lưu trong bộ nhớ.
Nghĩa là, 2bit/cell, mỗi đơn vị cell lưu trữ thông tin 2bit, yêu cầu điều khiển điện áp phức tạp hơn, có 4 thay đổi 00, 01, 10, 11, tốc độ nói chung là trung bình, tuổi thọ trung bình, giá trung bình, khoảng Tuổi thọ xóa và ghi 3000—10000 lần.MLC hoạt động bằng cách sử dụng một số lượng lớn cấp điện áp, mỗi ô lưu trữ hai bit dữ liệu và mật độ dữ liệu tương đối lớn và có thể lưu trữ nhiều hơn 4 giá trị cùng một lúc.Do đó, kiến ​​trúc MLC có thể có mật độ lưu trữ tốt hơn.

TLC (tên đầy đủ bằng tiếng Anh là Trinary-Level Cell) là bộ lưu trữ ba tầng
TLC là 3 bit cho mỗi ô.Mỗi đơn vị ô lưu trữ thông tin 3bit, có thể lưu trữ nhiều dữ liệu hơn 1/2 so với MLC.Có 8 loại thay đổi điện áp từ 000 đến 001, tức là 3bit/cell.Ngoài ra còn có nhà sản xuất Flash gọi là 8LC.Yêu cầu thời gian truy cập lâu hơn nên tốc độ truyền tải chậm hơn.
Ưu điểm của TLC là giá rẻ, chi phí sản xuất trên mỗi megabyte là thấp nhất, giá rẻ nhưng tuổi thọ ngắn, chỉ có tuổi thọ xóa và ghi lại khoảng 1000-3000, nhưng SSD hạt TLC được thử nghiệm kỹ lưỡng có thể được sử dụng bình thường trong hơn 5 năm.

Bộ lưu trữ bốn lớp QLC (tên đầy đủ bằng tiếng Anh là Quadruple-Level Cell)
QLC cũng có thể được gọi là MLC 4bit, đơn vị lưu trữ bốn lớp, nghĩa là 4bit/ô.Có 16 lần thay đổi điện áp, nhưng công suất có thể tăng thêm 33%, tức là hiệu suất ghi và tuổi thọ xóa sẽ giảm hơn nữa so với TLC.Trong bài kiểm tra hiệu suất cụ thể, Magiê đã thực hiện các thí nghiệm.Về tốc độ đọc, cả hai giao diện SATA đều có thể đạt tới 540MB/S.QLC hoạt động kém hơn về tốc độ ghi, do thời gian lập trình P/E của nó dài hơn MLC và TLC, tốc độ chậm hơn và tốc độ ghi liên tục từ 520MB/s xuống 360MB/s, hiệu suất ngẫu nhiên giảm từ 9500 IOPS xuống 5000 IOPS, mất gần một nửa.

PS: Dữ liệu được lưu trữ trong mỗi Cell càng nhiều thì dung lượng trên một đơn vị diện tích càng cao, nhưng đồng thời dẫn đến sự gia tăng các trạng thái điện áp khác nhau, khó kiểm soát hơn nên tính ổn định của chip NAND Flash trở nên tồi tệ hơn và tuổi thọ sử dụng trở nên ngắn hơn, mỗi loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

(Tuổi thọ đọc và ghi của NAND Flash chỉ mang tính chất tham khảo)
Không khó để nhận thấy hiệu năng của 4 loại bộ nhớ flash NAND là khác nhau.Giá trên mỗi đơn vị dung lượng của SLC cao hơn so với các loại hạt bộ nhớ flash NAND khác, nhưng thời gian lưu dữ liệu của nó lâu hơn và tốc độ đọc nhanh hơn;QLC có công suất lớn hơn và giá thành thấp hơn, nhưng do độ tin cậy và tuổi thọ thấp nên những tồn tại và bất cập khác vẫn cần được tiếp tục phát triển.

Từ góc độ chi phí sản xuất, tốc độ đọc và ghi và tuổi thọ sử dụng, xếp hạng của bốn loại là:
SLC>MLC>TLC>QLC;
Các giải pháp chủ đạo hiện nay là MLC và TLC.SLC chủ yếu nhắm đến các ứng dụng quân sự và doanh nghiệp, với tốc độ ghi cao, tỷ lệ lỗi thấp và độ bền lâu.MLC chủ yếu nhắm đến các ứng dụng dành cho người tiêu dùng, dung lượng của nó cao gấp 2 lần SLC, giá thành thấp, phù hợp với ổ flash USB, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số và các thẻ nhớ khác, đồng thời cũng được sử dụng rộng rãi trong SSD cấp tiêu dùng hiện nay .

Bộ nhớ flash NAND có thể được chia thành hai loại: cấu trúc 2D và cấu trúc 3D theo các cấu trúc không gian khác nhau.Bóng bán dẫn cổng nổi chủ yếu được sử dụng cho FLASH 2D, trong khi đèn flash 3D chủ yếu sử dụng bóng bán dẫn CT và cổng nổi.Là chất bán dẫn, CT là chất cách điện, hai chất này khác nhau về bản chất và nguyên lý.Sự khác biệt là:

Cấu trúc 2D NAND Flash
Cấu trúc 2D của các ô nhớ chỉ được sắp xếp trong mặt phẳng XY của chip, vì vậy cách duy nhất để đạt được mật độ cao hơn trong cùng một tấm bán dẫn bằng công nghệ flash 2D là thu nhỏ nút xử lý.
Nhược điểm là lỗi trong flash NAND thường xuyên hơn đối với các nút nhỏ hơn;Ngoài ra, có giới hạn về nút quy trình nhỏ nhất có thể được sử dụng và mật độ lưu trữ không cao.

Cấu trúc 3D NAND Flash
Để tăng mật độ lưu trữ, các nhà sản xuất đã phát triển công nghệ 3D NAND hoặc V-NAND (NAND dọc), xếp chồng các ô nhớ trong mặt phẳng Z trên cùng một tấm bán dẫn.

Trong flash 3D NAND, các ô nhớ được kết nối dưới dạng chuỗi dọc thay vì chuỗi ngang trong NAND 2D và việc xây dựng theo cách này giúp đạt được mật độ bit cao cho cùng một vùng chip.Các sản phẩm Flash 3D đầu tiên có 24 lớp.