درک تفاوت بین درجات مختلف تراشه های SSD NAND Flash SLC، MLC، TLC، QLC

نام کامل NAND Flash Flash Memory است که متعلق به یک دستگاه حافظه غیر فرار (Non-volatile Memory Device) است.این بر اساس طراحی ترانزیستور دروازه شناور است و بارها از طریق دروازه شناور بسته می شوند.از آنجایی که دروازه شناور از نظر الکتریکی ایزوله است، بنابراین الکترون هایی که به گیت می رسند حتی پس از حذف ولتاژ به دام می افتند.این دلیل منطقی برای عدم فرار فلاش است.داده ها در چنین دستگاه هایی ذخیره می شوند و حتی در صورت قطع برق از بین نخواهند رفت.
با توجه به فناوری های مختلف نانو، NAND Flash گذار از SLC به MLC و سپس به TLC را تجربه کرده و به سمت QLC حرکت می کند.NAND Flash به دلیل ظرفیت زیاد و سرعت نوشتن سریع، به طور گسترده در eMMC/eMCP، U disk، SSD، اتومبیل، اینترنت اشیا و سایر زمینه ها استفاده می شود.

SLC (نام کامل انگلیسی (Single-Level Cell – SLC) یک ذخیره سازی تک سطحی است.
ویژگی تکنولوژی SLC این است که لایه اکسیدی بین دروازه شناور و منبع نازک تر است.هنگام نوشتن داده ها، شارژ ذخیره شده را می توان با اعمال ولتاژ به شارژ دروازه شناور و سپس عبور از منبع حذف کرد.یعنی تنها دو تغییر ولتاژ 0 و 1 می تواند 1 واحد اطلاعاتی یعنی 1 بیت/سل را ذخیره کند که با سرعت بالا، عمر طولانی و عملکرد قوی مشخص می شود.عیب این است که ظرفیت کم و هزینه بالا است.

MLC (نام کامل انگلیسی Multi-Level Cell – MLC) یک ذخیره سازی چند لایه است
اینتل (اینتل) اولین بار در سپتامبر 1997 MLC را با موفقیت توسعه داد. وظیفه آن ذخیره دو واحد اطلاعات در یک دروازه شناور (بخشی که شارژ در سلول حافظه فلش ذخیره می شود) و سپس استفاده از شارژ پتانسیل های مختلف (سطح) است. ) خواندن و نوشتن دقیق از طریق کنترل ولتاژ ذخیره شده در حافظه.
یعنی 2 بیت / سلول، هر واحد سلول اطلاعات 2 بیتی را ذخیره می کند، نیاز به کنترل ولتاژ پیچیده تری دارد، چهار تغییر 00، 01، 10، 11 وجود دارد، سرعت به طور کلی متوسط ​​است، عمر متوسط ​​است، قیمت متوسط ​​است، حدود 3000-10000 بار پاک کردن و نوشتن طول عمر.بنابراین، معماری MLC می تواند تراکم ذخیره سازی بهتری داشته باشد.

TLC (نام کامل انگلیسی Trinary-Level Cell) یک ذخیره سازی سه لایه است
TLC 3 بیت در هر سلول است.هر واحد سلولی اطلاعات 3 بیتی را ذخیره می کند که می تواند 1/2 داده بیشتر از MLC ذخیره کند.8 نوع تغییر ولتاژ از 000 تا 001 وجود دارد، یعنی 3bit/cell.همچنین تولید کنندگان فلش به نام 8LC وجود دارند.زمان دسترسی مورد نیاز طولانی تر است، بنابراین سرعت انتقال کندتر است.
مزیت TLC این است که قیمت ارزان است، هزینه تولید هر مگابایت کمترین است، و قیمت ارزان است، اما عمر کوتاه است، فقط حدود 1000-3000 عمر پاک کردن و بازنویسی، اما ذرات TLC به شدت آزمایش شده SSD می تواند به طور معمول برای بیش از 5 سال استفاده شود.

QLC (نام کامل انگلیسی Quadruple-Level Cell) واحد ذخیره سازی چهار لایه
QLC را می توان 4bit MLC نیز نامید، یک واحد ذخیره سازی چهار لایه، یعنی 4bits/cell.16 تغییر در ولتاژ وجود دارد، اما ظرفیت را می توان تا 33٪ افزایش داد، یعنی عملکرد نوشتن و عمر پاک کردن در مقایسه با TLC بیشتر کاهش می یابد.در تست عملکرد خاص، منیزیم آزمایشاتی انجام داده است.از نظر سرعت خواندن، هر دو رابط SATA می توانند به 540 مگابایت بر ثانیه برسند.QLC در سرعت نوشتن عملکرد بدتری دارد، زیرا زمان برنامه‌نویسی P/E آن طولانی‌تر از MLC و TLC است، سرعت پایین‌تر است و سرعت نوشتن پیوسته از 520 مگابایت بر ثانیه به 360 مگابایت بر ثانیه است، عملکرد تصادفی از 9500 IOPS به 5000 کاهش یافته است. IOPS، از دست دادن نزدیک به نیمی.

PS: هرچه داده های ذخیره شده در هر واحد سلولی بیشتر باشد، ظرفیت هر واحد سطح بالاتر است، اما در عین حال، منجر به افزایش حالت های مختلف ولتاژ می شود که کنترل آن دشوارتر است، بنابراین پایداری تراشه NAND Flash بدتر می شود و عمر سرویس کوتاه تر می شود که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند.

(عمر خواندن و نوشتن NAND Flash فقط برای مرجع است)
مشاهده اینکه عملکرد چهار نوع فلش مموری NAND متفاوت است دشوار نیست.هزینه هر واحد ظرفیت SLC نسبت به سایر ذرات حافظه فلش NAND بیشتر است، اما زمان نگهداری اطلاعات آن طولانی تر و سرعت خواندن سریعتر است.QLC ظرفیت بزرگتر و هزینه کمتری دارد، اما به دلیل قابلیت اطمینان و طول عمر کم، کاستی ها و سایر کاستی ها هنوز نیاز به توسعه بیشتر دارند.

از منظر هزینه تولید، سرعت خواندن و نوشتن و عمر سرویس، رتبه بندی چهار دسته به شرح زیر است:
SLC>MLC>TLC>QLC;
راه حل های اصلی فعلی MLC و TLC هستند.SLC عمدتاً برای برنامه‌های نظامی و سازمانی با سرعت نوشتن بالا، میزان خطای کم و دوام طولانی مورد هدف قرار می‌گیرد.MLC عمدتاً برای کاربردهای درجه یک مصرف کننده هدف قرار می گیرد، ظرفیت آن 2 برابر بیشتر از SLC است، کم هزینه، مناسب برای درایوهای فلش USB، تلفن های همراه، دوربین های دیجیتال و سایر کارت های حافظه، و همچنین امروزه به طور گسترده در SSD درجه مصرف کننده استفاده می شود. .

حافظه فلش NAND را می توان به دو دسته ساختار دو بعدی و ساختار سه بعدی با توجه به ساختارهای فضایی مختلف تقسیم کرد.ترانزیستورهای گیت شناور عمدتاً برای فلاش دو بعدی استفاده می شوند، در حالی که فلاش سه بعدی عمدتاً از ترانزیستورهای سی تی و گیت شناور استفاده می کند.یک نیمه هادی است، CT یک عایق است، این دو در ماهیت و اصل متفاوت هستند.تفاوت این است:

ساختار دو بعدی NAND Flash
ساختار دو بعدی سلول های حافظه فقط در صفحه XY چیپ چیده شده است، بنابراین تنها راه برای دستیابی به چگالی بالاتر در همان ویفر با استفاده از فناوری فلاش دو بعدی، کوچک کردن گره فرآیند است.
نکته منفی این است که خطاها در NAND flash برای گره های کوچکتر بیشتر است.علاوه بر این، محدودیتی برای کوچکترین گره فرآیندی قابل استفاده وجود دارد و چگالی ذخیره سازی زیاد نیست.

ساختار سه بعدی NAND Flash
برای افزایش تراکم ذخیره سازی، سازندگان فناوری 3D NAND یا V-NAND (NAND عمودی) را توسعه داده اند که سلول های حافظه را در صفحه Z روی همان ویفر قرار می دهد.

در فلش 3 بعدی NAND، سلول های حافظه به عنوان رشته های عمودی به جای رشته های افقی در NAND 2 بعدی متصل می شوند و ساختن به این روش به دستیابی به تراکم بیت بالا برای همان ناحیه تراشه کمک می کند.اولین محصولات 3D Flash دارای 24 لایه بودند.