ทำความเข้าใจความแตกต่างระหว่างชิป SSD เกรดต่างๆ ของ NAND Flash SLC, MLC, TLC, QLC

ชื่อเต็มของ NAND Flash คือ Flash Memory ซึ่งเป็นอุปกรณ์หน่วยความจำแบบไม่ลบเลือน (Non-volatile Memory Device)มีพื้นฐานมาจากการออกแบบทรานซิสเตอร์เกทแบบลอยตัว และประจุจะถูกล็อคผ่านเกทแบบลอยตัวเนื่องจากประตูลอยถูกแยกด้วยระบบไฟฟ้า ดังนั้นอิเล็กตรอนที่มาถึงเกตจึงถูกดักจับแม้ว่าจะถอดแรงดันไฟฟ้าออกแล้วก็ตามนี่คือเหตุผลของความไม่ผันผวนของแฟลชข้อมูลจะถูกจัดเก็บไว้ในอุปกรณ์ดังกล่าวและจะไม่สูญหายแม้ว่าจะปิดเครื่องแล้วก็ตาม
ตามนาโนเทคโนโลยีที่แตกต่างกัน NAND Flash ได้ประสบกับการเปลี่ยนแปลงจาก SLC เป็น MLC จากนั้นเป็น TLC และกำลังก้าวไปสู่ ​​QLCแฟลช NAND ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน eMMC/eMCP, ดิสก์ U, SSD, รถยนต์, Internet of Things และสาขาอื่นๆ เนื่องจากมีความจุขนาดใหญ่และความเร็วในการเขียนที่รวดเร็ว

SLC (ชื่อเต็มภาษาอังกฤษ (Single-Level Cell – SLC) เป็นที่เก็บข้อมูลระดับเดียว
ลักษณะของเทคโนโลยี SLC คือฟิล์มออกไซด์ระหว่างประตูลอยน้ำและแหล่งกำเนิดจะบางกว่าเมื่อเขียนข้อมูล ประจุที่เก็บไว้สามารถกำจัดได้โดยการใช้แรงดันไฟฟ้ากับประจุของประตูลอยตัว แล้วส่งผ่านแหล่งกำเนิดนั่นคือการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าเพียงสองครั้งที่ 0 และ 1 เท่านั้นที่สามารถจัดเก็บ 1 หน่วยข้อมูล นั่นคือ 1 บิต/เซลล์ ซึ่งโดดเด่นด้วยความเร็วที่รวดเร็ว อายุการใช้งานยาวนาน และประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งข้อเสียคือความจุต่ำและต้นทุนสูง

MLC (ชื่อเต็มภาษาอังกฤษ Multi-Level Cell – MLC) เป็นที่จัดเก็บข้อมูลแบบหลายชั้น
Intel (Intel) ประสบความสำเร็จในการพัฒนา MLC เป็นครั้งแรกในเดือนกันยายน พ.ศ. 2540 หน้าที่ของมันคือเก็บข้อมูลสองหน่วยไว้ใน Floating Gate (ส่วนที่ประจุถูกเก็บไว้ในเซลล์หน่วยความจำแฟลช) จากนั้นใช้ประจุที่มีศักยภาพต่างกัน (ระดับ ) การอ่านและเขียนที่แม่นยำผ่านการควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่เก็บไว้ในหน่วยความจำ
นั่นคือ 2 บิต/เซลล์ แต่ละเซลล์เก็บข้อมูล 2 บิต ต้องใช้การควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ซับซ้อนมากขึ้น มีการเปลี่ยนแปลง 00, 01, 10, 11 สี่ครั้ง ความเร็วโดยทั่วไปเป็นค่าเฉลี่ย อายุการใช้งานเฉลี่ย ราคาเป็นค่าเฉลี่ย ประมาณ 3,000—10,000 เท่าของการลบและเขียนชีวิต MLC ทำงานโดยใช้เกรดแรงดันไฟฟ้าจำนวนมาก แต่ละเซลล์จะจัดเก็บข้อมูลสองบิต และความหนาแน่นของข้อมูลค่อนข้างใหญ่ และสามารถจัดเก็บได้มากกว่า 4 ค่าในแต่ละครั้งดังนั้น สถาปัตยกรรม MLC จึงสามารถมีความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูลได้ดีขึ้น

TLC (ชื่อเต็มภาษาอังกฤษ Trinary-Level Cell) เป็นที่เก็บข้อมูลสามชั้น
TLC คือ 3 บิตต่อเซลล์แต่ละหน่วยเซลล์จัดเก็บข้อมูล 3 บิต ซึ่งสามารถเก็บข้อมูลได้มากกว่า 1/2 มากกว่า MLCการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้ามี 8 แบบตั้งแต่ 000 ถึง 001 นั่นคือ 3 บิต/เซลล์นอกจากนี้ยังมีผู้ผลิต Flash ชื่อ 8LCต้องใช้เวลาในการเข้าถึงนานขึ้น ดังนั้นความเร็วในการถ่ายโอนจึงช้าลง
ข้อดีของ TLC คือราคาถูก ต้นทุนการผลิตต่อเมกะไบต์ต่ำที่สุด และราคาถูก แต่อายุการใช้งานสั้น เพียงประมาณ 1,000-3,000 การลบและอายุการใช้งานการเขียนใหม่ แต่อนุภาค TLC ที่ทดสอบอย่างหนัก SSD สามารถทำได้ ใช้งานได้ตามปกตินานกว่า 5 ปี

QLC (ชื่อเต็มภาษาอังกฤษ Quadruple-Level Cell) หน่วยจัดเก็บข้อมูลสี่ชั้น
QLC ยังสามารถเรียกว่า 4 บิต MLC ซึ่งเป็นหน่วยเก็บข้อมูลสี่ชั้น ซึ่งก็คือ 4 บิต/เซลล์แรงดันไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลง 16 แบบ แต่ความจุสามารถเพิ่มได้ 33% กล่าวคือ ประสิทธิภาพการเขียนและอายุการใช้งานการลบจะลดลงอีกเมื่อเทียบกับ TLCในการทดสอบประสิทธิภาพเฉพาะ แมกนีเซียมได้ทำการทดลองในแง่ของความเร็วในการอ่าน อินเทอร์เฟซ SATA ทั้งสองสามารถเข้าถึง 540MB/SQLC ทำงานได้แย่กว่าในด้านความเร็วในการเขียน เนื่องจากเวลาการเขียนโปรแกรม P/E ยาวกว่า MLC และ TLC ความเร็วจึงช้ากว่า และความเร็วในการเขียนต่อเนื่องคือ จาก 520MB/s ถึง 360MB/s ประสิทธิภาพแบบสุ่มลดลงจาก 9500 IOPS เป็น 5000 IOPS ขาดทุนเกือบครึ่ง

PS: ยิ่งข้อมูลถูกเก็บไว้ในแต่ละ Cell Unit มากเท่าใดความจุต่อยูนิตพื้นที่ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น แต่ในขณะเดียวกันก็ส่งผลให้สถานะแรงดันไฟฟ้าต่างกันเพิ่มขึ้นซึ่งควบคุมได้ยากยิ่งขึ้น ดังนั้นความเสถียรของชิป NAND Flash แย่ลงและอายุการใช้งานก็สั้นลง ซึ่งแต่ละข้อก็มีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง

(อายุการใช้งานการอ่านและเขียน NAND Flash ใช้เพื่อการอ้างอิงเท่านั้น)
เห็นได้ไม่ยากว่าประสิทธิภาพของหน่วยความจำแฟลช NAND ทั้งสี่ประเภทแตกต่างกันต้นทุนต่อหน่วยความจุของ SLC สูงกว่าอนุภาคหน่วยความจำแฟลช NAND ประเภทอื่นๆ แต่เวลาเก็บรักษาข้อมูลนานกว่าและความเร็วในการอ่านเร็วกว่าQLC มีกำลังการผลิตที่ใหญ่กว่าและมีต้นทุนที่ต่ำกว่า แต่เนื่องจากความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานที่ต่ำ ข้อบกพร่องและข้อบกพร่องอื่นๆ ยังคงต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติม

จากมุมมองของต้นทุนการผลิต ความเร็วในการอ่านและเขียน และอายุการใช้งาน การจัดอันดับใน 4 ประเภท ได้แก่:
SLC>MLC>TLC>QLC;
โซลูชันกระแสหลักในปัจจุบันคือ MLC และ TLCSLC มุ่งเป้าไปที่การใช้งานทางการทหารและองค์กรเป็นหลัก โดยมีการเขียนด้วยความเร็วสูง อัตราข้อผิดพลาดต่ำ และความทนทานยาวนานMLC มุ่งเป้าไปที่แอปพลิเคชันระดับผู้บริโภคเป็นหลัก โดยมีความจุสูงกว่า SLC ถึง 2 เท่า ราคาประหยัด เหมาะสำหรับแฟลชไดรฟ์ USB โทรศัพท์มือถือ กล้องดิจิตอล และการ์ดหน่วยความจำอื่นๆ และยังใช้กันอย่างแพร่หลายใน SSD ระดับผู้บริโภคในปัจจุบัน .

หน่วยความจำแฟลช NAND สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: โครงสร้าง 2D และโครงสร้าง 3D ตามโครงสร้างเชิงพื้นที่ที่แตกต่างกันทรานซิสเตอร์โฟลทติ้งเกตส่วนใหญ่จะใช้สำหรับ 2D FLASH ในขณะที่แฟลช 3D จะใช้ทรานซิสเตอร์ CT และโฟลทติ้งเกตเป็นหลักเป็นสารกึ่งตัวนำ CT เป็นฉนวน ทั้งสองมีลักษณะและหลักการแตกต่างกันความแตกต่างคือ:

โครงสร้าง 2D NAND Flash
โครงสร้าง 2 มิติของเซลล์หน่วยความจำถูกจัดเรียงในระนาบ XY ของชิปเท่านั้น ดังนั้นวิธีเดียวที่จะบรรลุความหนาแน่นที่สูงขึ้นในเวเฟอร์เดียวกันโดยใช้เทคโนโลยีแฟลช 2 มิติก็คือการลดขนาดของโหนดกระบวนการ
ข้อเสียคือข้อผิดพลาดในแฟลช NAND มักเกิดขึ้นบ่อยกว่าสำหรับโหนดขนาดเล็กนอกจากนี้ยังมีขีดจำกัดสำหรับโหนดกระบวนการที่เล็กที่สุดที่สามารถใช้ได้ และความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูลไม่สูง

โครงสร้าง 3 มิติ NAND Flash
เพื่อเพิ่มความหนาแน่นในการจัดเก็บข้อมูล ผู้ผลิตได้พัฒนาเทคโนโลยี 3D NAND หรือ V-NAND (NAND แนวตั้ง) ซึ่งจะซ้อนเซลล์หน่วยความจำในระนาบ Z บนเวเฟอร์เดียวกัน

ในแฟลช 3D NAND เซลล์หน่วยความจำจะเชื่อมต่อกันเป็นสตริงแนวตั้งแทนที่จะเป็นสตริงแนวนอนใน 2D NAND และการสร้างในลักษณะนี้จะช่วยให้ได้รับความหนาแน่นบิตสูงสำหรับพื้นที่ชิปเดียวกันผลิตภัณฑ์ 3D Flash รุ่นแรกมี 24 เลเยอร์