Source: Stephen Pritchard, PLC flash: The next generation or a mirage? 12 May 2023存储器制造商不断努力提高容量并降低成本。在闪存存储领域，这一点表现得尤为明显，容量已从几十GB增加到20TB甚至更多。性能远超机械硬盘，而每GB的成本可能很快低于硬盘驱动器。五级多层单元（PLC）闪存是基于3D NAND技术的最新一代固态存储器。它使用每个单元的五个比特来存储数据，以实现在单个芯片上存储更大容量，从而降低每GB的成本。然而，PLC闪存意味着需要做出一些妥协。其中包括耐久性降低、控制器更加复杂，因此性能也较低。这可能会限制PLC闪存的使用场景，特别是在其早期阶段。最早的NAND闪存存储使用的是单级单元（SLC）技术。这种现在已基本过时的媒介只能在每个单元中存储一个状态，即0或1。随后，行业发展出了多级单元存储器，可以存储四个状态或切换结果。三级单元（TLC）增加了电压切换的数量，达到了七个。四级单元（QLC）每个单元使用四个比特，具有16个状态或15个切换。这是目前容量最高的NAND存储。目前，存储供应商广泛提供30TB的QLC SSD，而一些制造商（如Pure Storage）则提供专有的48TB驱动器。这使得闪存的容量甚至超过了最大的传统硬盘驱动器，而PLC闪存可能进一步推动容量的提升。Pure公司的国际首席技术官亚 Alex McMullen 预测，在未来10年内，将会出现容量为300TB的系统。PLC（以及QLC）闪存的发展是由于存储控制器和管理较小电压写入数据的软件的改进。随着3D NAND成为芯片架构的主流，制造商在不减小栅极的情况下增加了层数，使QLC成为可行的方案，并为PLC闪存打开了道路。然而，转向更高容量的PLC闪存也带来了挑战，其中最重要的是芯片中电压级别的数量。PLC闪存驱动器每个单元有五个比特，可以存储32个电压级别，使得电压之间的差异非常小。这对控制器的准确读取更加困难，可能导致存储潜在不稳定，并对I/O产生影响，因为控制器和纠错软件需要更多努力。Pure公司的 McMullen 表示：“从QLC到PLC的最大位密度增加将为20%，但将在工程设计、性能降低和介质脆弱性方面带来更大的成本负担。”在QLC中，电荷水平之间的差异约为6%，但在PLC中下降至3%。这需要比MLC或TLC闪存更强大的纠错能力。Gartner公司的副总裁、新兴技术和趋势、NAND闪存、固态硬盘和SSA的 Joseph Unsworth 表示：“PLC在相同的硅面积上有更多的比特，因此应该具有更高的容量，但这将以数据可靠性和保留的代价为代价。” “目前市场上没有商业产品，因此我们不知道NAND密度或容量。”芯片设计师还必须增加更多的冗余。在其它类型的闪存中，制造商已经在模块中增加了更多的容量，以覆盖磨损的单元。这种额外开销在PLC中可能更高。目前，PLC闪存尚未发布任何I/O数据，因为制造商尚未发布样品，但存储供应商预计性能会受到影响，而且还有关于PLC闪存寿命的问题。性能和成本与容量之间的比例将决定企业如何使用PLC闪存以及使用的领域。早期的使用场景可能包括归档和其它不依赖于高写入速度或频率但又重视容量的长期存储应用。这可能扩展到使用大量数据的其它领域，如机器学习训练系统。预计PLC闪存将比QLC闪存更便宜，尽管Gartner预计成本节约只有约10%，这可能不足以吸引 CIO 切换。企业采用还将取决于PLC闪存模块的耐用性。早期版本的QLC闪存约可实现1000次写入/擦除循环。目前的QLC芯片至少提高了两倍，但与基于更成熟闪存技术的最耐用设计相比，这仍然较低，后者可以达到100000次或更多的循环次数。然而，对于长期存储来说，写入/擦除循环次数并不那么重要。而且，预计PLC闪存的能效远高于大容量机械硬盘。节约能源和减少碳足迹可能是企业采用PLC技术的原因。但制造商和分析师普遍认为，大规模的PLC闪存出货还需要至少两年时间。芯片制造商已经在原型阶段展示了六级和七级单元技术，其中七级单元闪存单元具有128个电荷级别。十级单元从理论上讲是可能的，但电荷差异只有0.1%，这是一个真正的工程挑战。相反，存储器制造商正在考虑向现有技术（如TLC和QLC）添加层数。正如Gartner的 Unsworth 指出的那样，具有更高级别的芯片层数始终在成本和性能上比层数较少的芯片具有优势，因为额外的级别对耐用性和控制器设计产生影响。Pure公司的 McMullen 表示：“我们可以想象，QLC是我们能达到的最远的阶段，然后我们将回到具有更多层数的TLC。”随着芯片制造商的路线图将层数提高到500-600层，PLC绝不是下一代高容量闪存存储的唯一选择。