性能，可靠性的权衡与SLC和MLC等
当涉及到为您的组织添加SSD存储时，了解多层闪存之间重要的容量、性能和可靠性差异。
闪存，又名NAND, ssd一直是IT专业人士的热门话题。它们存在于存储阵列、NAS、设备……
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驱动器和PCIe内存卡。闪存闪存已经迅速成为每个存储设备采购讨论的一部分，但做出这些购买决定可能很困难。
flash有非常令人信服的理由单层细胞（SLC），多级单元（MLC），三级单元（TLC），四级单元（QLC）甚至PENTA级单元（PLC）闪存SSD，包括性能，功率效率，可用性和可靠性。
那么，如何选择呢?本文的其余部分将更深入地讨论除PLC外的每一种技术。PLC仍在不断完善中。目前晶圆厂的产量太低，无法达到成本效益，但预计这一问题会随着时间的推移而得到解决。剩下的是SLC、MLC、TLC和QLC。在深入探讨之前，以下是选择正确SSD技术的一般经验法则:
- 能力，如状态数，每个单元每增加一位，就以2的幂增加;
- 延迟每个单元的每位都要加倍，power也是如此;
- 写的耐力每个单元每增加一位，减少一个数量级;
- 错误增加每个单元的每位，增加的数量SSD盘的纠错码控制器。
这是什么意思呢？当需要最低延迟时，SLC是一个不错的选择。然后，其他专有技术，如三星Z-NAND或英特尔Optan存储类存储器 - A.K.A. 3D Xpoint - 可能是更好的选择，延迟较低，耐久性更高，尽管成本明显更高。当最高容量是具有足够读写延迟的主要驱动程序时，QLC是最佳选择。尽管TLC的可靠性较高和写入耐久性可能是比QLC较低的成本和更高容量更大的因素。选择SSD是权衡问题。
阻碍闪存发展的原因是，如果以每千兆字节的价格来衡量，它们通常比hdd更贵。当以每iops或每gb吞吐量衡量时，它们通常是便宜的。但容量是IT存储狗摇摆的标准或尾巴。随着物联网、5G、人工智能和机器学习的发展，数据生成和捕获呈指数上升趋势。能力是一个主要的标准。
1.成本和容量
闪光行业的答案flash ssd的成本产能问题有两条不相互排斥的路径。第一种方法是在每个单元(即存储单元)中添加位。每个单元接受一定数量的位元。每个位被注册为1或0。细胞中每增加一个比特，细胞的容量就会以指数方式增加一个细胞的状态数增加2n，其中“n”为单元格中的比特数。slc 21或2个;多层陶瓷22或4个州;薄层色谱是23.或8个州;QLC是24或16个州;plc为25或32个州。相同的晶片尺寸产生两倍的密度，作为每个电池技术的先前位。这增加了容量，同时降低了每千兆字节的成本。
第二种增加容量的途径是从平面或2D技术向3D技术的转变。3D技术使NAND细胞能够分层。这花了一些时间NAND闪存制造商掌握3D分层;他们现在可以提供通常有96层或更多层的3D NAND闪存芯片。3D技术大幅提升flash SSD能力，同时，再一次降低了每gb的成本。需要注意的是，目前还没有3D SLC芯片。
每个单元更多的位和每个芯片更多的层增加闪存SSD容量，同时降低每千兆字节的成本。好消息是闪存SSD的容量密度提高得非常快。坏消息是，没有免费的午餐，这导致了与这些技术的重大权衡。
2.在错误和性能方面的权衡
每个单元的比特数越多，对错误、性能、耐久性和可靠性都有显著的负面影响。每个单元的每一个额外的位需要更多的时间写入和读取单元。它需要更多的电压来创造和分辨细胞内的状态。这是因为附加的状态值使确定正值变得更加困难。此外，更高的温度会导致电池中更多的电子泄漏，因为需要更高的灵敏度来区分状态。结果是随着每个单元比特数的增加，工作温度范围变窄。这将导致更高的错误率，即数据损坏。
最终的效果是，闪存控制器必须在每一个额外的位中包含更全面的纠错技术。随着错误校正需求的增加，计算每一位数据校正所需的时间也在增加。这是为什么……的关键原因延迟增加，IOPS降低随着每个单元的比特数的增加。3D分层增加了每个闪存芯片的IOPS，但对延迟命中没有任何影响。
影响闪存SSD性能的不仅仅是闪存NAND单元。驱动器中的DRAM或持久内存缓存对SSD性能有巨大的影响，闪存SSD的过度配置也是如此。
深入研究NAND闪存
NAND闪存是一种破坏性的存储技术。每当一个存储单元要被覆盖时，它必须首先被擦除。闪存NAND不是一种磁性技术。擦除它需要摧毁一层存储基板。读取不会导致任何内存单元磨损。因此，flash NAND的经验法则是，写是昂贵的，而读是免费的。如果必须等待擦除发生，写操作可能需要很长时间。过度配置意味着有一个新的或以前已删除的单元池在等待新的写入，因此写入不必等待。闪存SSD不断监控程序擦除块。当一个程序擦除块上的数据由于该数据的新版本已被写入其他程序擦除块而老化时，闪存SSD控制器进行垃圾收集。 Garbage collection takes the aged-out blocks and erases them, putting them back in the pool of available program erase blocks.
的flash SSD接口对性能也有影响．NVMe是一个比SATA或SAS快得多的接口。共享存储体系结构和接口也开始发挥作用。架构与DRAM，存储类内存或SLC缓存或分级存储将提高性能．存储网络互连也是需要考虑的另一个因素。以太网、光纤通道、Infiniband或TCP/IP上的NVMe-oF也将提高性能。这不仅仅是闪存SSD技术。
3.耐久性和可靠性的权衡
每增加一个比特到闪存NAND细胞减少一个数量级或10倍的耐力。Flash NAND电池续航时间测量为写数在牢房用完之前。SLC的额定写周期为每个单元大约100,000个。MLC的额定写周期大约为10,000个。TLC的额定写周期大约为1,000个。QLC的额定写周期大约为100个。PLC被估计为大约10个写周期。
电池续航时间和闪存SSD续航时间不是一回事。影响flash SSD耐久性的两个主要因素是flash控制器的磨损均衡算法的有效性和SSD中flash NAND的总量。Flash SSD额定容量不能反映SSD内的总Flash容量。SSD中存在大量的闪存NAND容量过度配置。这种过度供给被用来替换磨损的记忆细胞。不同情况下，flash SSD的过度配置数量不同。一般来说，随着每个单元的比特数增加，闪存SSD也会过度配置。更大的容量等于更多的细胞磨损水平，增加SSD的耐力。
Flash SSD耐久性通常额定为tb写入(TBW)。它也被认为是每天驾驶写作(DWPD)。DWPD翻译成TBW。供应商向DWPD或TBW保证他们的驱动器。简而言之，它指的是在闪存SSD耗尽之前可以写入的数据量。例如，一个1tb的3D TLC驱动器额定且保证每天0.66驱动器写操作，其额定容量约为1200 TBW。在这段时间里写了很多东西。
但如果1 TB驱动器是3D QLC怎么办？它会花费更少，但它可能在大约10％或120 TBW下具有更低的DWPD和TBW。如果过度透视量也增加，该数字可以增加。
SLC, MLC, TLC, QLC和PLC:如何选择适合你的需要
选择合适的闪存NAND存储驱动器取决于容量、成本、性能、错误和耐久性的权衡。
PLC闪存SSD通常具有每千兆字节的最低成本，但具有严重的耐久局限性。性能优于任何硬盘，并且明显低于任何其他类型的闪光SSD。它显然是旨在储存数据变化不大存档数据、冷数据甚至冷数据。PLC闪存ssd与其他一些“一次写多读”技术属于同一类。
如果应用程序需要尽可能最好的性能，则选择SLC闪存ssd。但是，使用SLC的存储设备的类型很重要。使用SLC flash ssd作为缓存或主要存储介质的存储阵列不会比使用MLC或TLC ssd的存储阵列快很多。这是由于ssd盘的路径(包括SATA / NVMe控制器、存储系统控制器、存储网络、应用服务器与存储系统之间是否为NVMe- of)和应用服务器总线等，存在时延瓶颈。这种SSD SLC和MLC场景的性能差异很难从财务上证明。相比之下，应用服务器或存储网络连接的基于SLC的数据缓存设备中的SLC PCIe卡展示了巨大的性能优于相同的MLC产品．这个SLC例子更容易证明。
决定哪些闪存技术的类型，以及使用哪种设备，都需要权衡利弊。额外的表演是必要的吗?产能更重要吗?成本在决策中扮演什么角色?能有效使用flash技术的软件呢?它是否消耗更多的应用程序CPU周期?请注意，NVMe闪存卡以较高的CPU资源消耗(高达20%)来权衡更高的性能。
以下是一些关于SSD的一般拇指规则，但请记住这些规则并不总是适用。
- 当应用程序加速性能必须是绝对最高的，它可以 - 具有最低可能延迟 - 价格不是至关重要的考虑，NVME SLC闪存SSD是一个非常好的答案。他们不是唯一的答案，因为他们几年前是几年前。3D XPoint Storage Class Memory Drive速度快4倍，高达10倍的成本。在应用程序直接模式下运行的数据中心持久存储器模块速度快10倍，高达10倍的成本。
- 当应用程序加速很重要，但成本是个问题时，MLC，薄层色谱(TLC)和质量液相色谱(QLC)均是可行的。
- 当要求是要拥有一个高性能的共享存储系统，那么存储系统架构比闪存SSD介质更重要。如何缓存或分层数据——NVMe-oF以太网互连、光纤通道、Infiniband或TCP/IP——是更大的问题。SLC、MLC、TLC、QLC和PLC都是可行的。市场上的一些存储系统，比如那些来自巨量数据的存储系统，已经用QLC证明了这一点。
- 当每g字节的成本非常重要时，性能很重要，但没有那么重要，而且写入持久性不是一个大因素——因为缓存和写入合并——MLC、TLC和可能的QLC可能是正确的选择。
