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MLC SLC TLC 三者区别 区分 闪存芯片 分析详解

发布日期:2015-6-24

 许多销费者对闪存的SLC和MLC和TLC区分不清。 就拿目前热销的u盘听来说,是买SLC还是MLC还是TLC闪存芯片的呢?在这里先告诉大家,如果你对容量要求不高,但是对机器质量、数据的安全性、机器寿命等方面要求较高,那么SLC闪存芯片的首选。但是这种芯片在市面上已经不多了。但是大容量的SLC闪存芯片成本要比MLC闪存芯片高很多。如果对容量要求和数据安全性都有要求但是资金有限的可以选择MLC,现在一般稍微贵一点的都用这种。大容量、低价格的TLC闪存自然是受大家的青睐,但是其固有的缺点,也不得不让我们考虑一番。(同志们下面内容很重要)

什么是SLC?

SLC英文全称(Single LevelCell——SLC)即单层式储存 。SLC(Single-Level Cell)即1bit/cell,速度快寿命长,价格昂贵(约MLC 3倍以上的价格),SLC闪存的优点是复写次数高达100000次,比MLC闪存高10倍。此外,

SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄,在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压,然后透过源极,即可将所储存的电荷消除,通过这样的方式,便可储存1个信息单元,这种技术能提供快速的程序编程与读取,不过此技术受限于Siliconefficiency的问题,必须要由较先进的流程强化技术(Process enhancements),才能向上提升SLC制程技术。

传统上,每个储存单元内储存1个资讯位元,称为单阶储存单元(single-levelcell, SLC),使用这种储存单元的闪存也称为单阶储存单元闪存(SLC flash memory),或简称SLC闪存。SLC闪存的优点是传输速度更快,功率消耗更低和储存单元的寿命更长。然而,由于每个储存单元包含的资讯较少,其每百万字节需花费较高的成本来生产。由于快速的传输速度,SLC闪存技术会用在高性能的储存卡。

SLC技术特点是在浮置闸极与源极之中的氧化薄膜更薄,在写入数据时通过对浮置闸极的电荷加电压,然后透过源极,即可将所储存的电荷消除,通过这样的方式,便可储存1个信息单元,这种技术能提供快速的程序编程与读取,不过此技术受限于Siliconefficiency的问题,必须要由较先进的流程强化技术(Process enhancements),才能向上提升SLC制程技术

什么是MLC?

MLC(Multi-Level Cell)即2bit/cell,速度一般寿命一般,价格一般,约5000---10000次擦写寿命;主要由东芝、Renesas、三星使用。

英特尔(Intel)在1997年9月最先开发成功MLC,其作用是将两个单位的信息存入一个Floating Gate(闪存存储单元中存放电荷的部分),然后利用不同电位(Level)的电荷,通过内存储存的电压控制精准读写。MLC通过使用大量的电压等级,每一个单元储存两位数据,数据密度比较大。SLC架构是0和1两个值,而MLC架构可以一次储存4个以上的值,因此,MLC架构可以有比较好的储存密度。

由于每个MLC存储单元中存放的资料较多,结构相对复杂,出错的几率会增加,必须进行错误修正,这个动作导致其性能大幅落后于结构简单的SLC闪存。为了保证MLC的寿命,控制芯片都校验和智能磨损平衡技术算法,使得每个存储单元的写入次数可以平均分摊,达到100万小时故障间隔时间(MTBF)。

什么是TLC?

TLC(Trinary-Level Cell)即3bit/cell,有的Flash厂家也叫8LC,速度慢,寿命短,价格便宜,约500次擦写寿命,目前还没有厂家能做到1000次。

TLC芯片是X3(3-bit-per-cell)技术架构,是SMLC和MLC技术的延伸。最早期NAND Flash技术架构是SLC(Single-LevelCell),原理是在1个存储器储存单元(cell)中存放1位元(bit)的数据,直到MLC(Multi-LevelCell)技术接棒后,架构演进为1个存储器储存单元存放2位元。 
2009年TLC架构正式问世,代表1个存储器储存单元可存放3位元,成本进一步大幅降低。TLC(Trinary-LevelCell)即3bit/cell,有的Flash厂家也叫8LC,速度慢,寿命短,价格便宜,约500次擦写寿命,目前还没有厂家能做到1000次。这种架构与MLC采用近似原理,只不过MLC是1个单元2个bit,而TLC则是1个单元3个bit,回想一下MLC和SLC的差距,基本上TLC在同样的方面比MLC还要差上一大截.与MLC相似的是,这种技术同样是在价格上占了优势,比MLC更便宜,不过寿命/速度则更差于MLC,而且TLC通常是和高制程同时出现的 

2010年NAND Flash市场的主要成长驱动力是来自于智能型手机和平板计算机,都必须要使用SLC或MLC芯片,因此这两种芯片都处于缺货状态,而TLC芯片却是持续供过于求,且将整个产业的平均价格往下拉,使得市调机构在usb3.0技术的和TLC接近成熟的时候采用了这种模式使生产成本和速度都得到很好的中和。目前一些采用TLC的U盘速度惨不忍睹,寿命更是没底(有人说能达到1000多次). 想想这2年.一些数码发烧友以昂贵的价格购买SLC芯片的U盘,体验性能或是存放贵重资料,再过1、2年,可能就能看到数码发烧友摒弃TLC,争相购买MLC芯片U盘的情景了。

SLC和MLC或TLC的缺点和优势:

签于目前市场主要以SLC和MLC及TLC储存为主,我们了解下SLC和MLC及TLC储存。Gate(闪存存储单元中存放电荷的部分),然后利用不同电位(Level)的电荷,通过内存储存的电压控制精准读写。MLC通过使用大量的电压等级,每个单元储存两位数据,数据密度比较大。SLC架构是0和1两个值,而MLC架构可以一次储存4个以上的值,而TLC架构可以达到8个或以上,因此MLC架构的储存密度较高,而TLC架构的储存密度更高并且可以利用老旧的生产程备来提高产品的容量,无须额外投资生产设备,拥有成本与良率的优势。与SLC相比较,MLC生产成本较低,容量大;经过改进MLC生产成本再降低,就出现了TLC。

MLC架构有许多缺点,首先是使用寿命较短,SLC架构可以存取10万次,而MLC架构只能承受约1万次的存取。而TLC只能现在的可擦写寿命在1000次左右甚至达不到。

其次就是存取速度慢,在目前技术条件下,MLC芯片理论速度只能达到3-4MB左右。SLC架构比MLC架构要快速三倍以上。MLC能耗比SLC高,在相同使用条件下比SLC要多15%左右的电流消耗。再者TLC的使用寿命更短,耗能更高发热量更高速度更慢。造价更低。

虽然与SLC相比,MLC缺点很多,但在单颗芯片容量方面,目前MLC还是占了绝对的优势。由于MLC架构和成本都具有绝对优势,能满足未来2GB、4GB、8GB甚至更大容量的市场需求。TLC则是MLC的升级容量更大。 现在的32G。64G更大大多采用这种芯片。

所以没有不必要对TLC谈虎变色,一般使用tlc的寿命足够了。现在U盘很多用的就是这种芯片了,比如低价位的大多都是采用这样的芯片的,而高价位的一般都是MLC的。

笑谈误区

对MLC和SLC和TLC三大架构现在网上存在一个普遍的认识误区,那就是大家都认为MLC架构的NAND闪存是劣品,只有SLC架构的NAND闪存才能在质 量上有保障。殊不知采用MLC架构的NAND闪存产品在2003年就已经投入市场使用,至今也没有见哪位用户说自己曾经购买的大容量CF、SD卡有质量问 题。可能你会说这是暂时的,日后肯定出问题,那么我们就先来回忆一下MLC的发展历程以及SLC目前的发展状况再来给这个假设做定论吧。

MLC技术开始升温应该说是从2003年2月东芝推出了第一款MLC架构NAND Flash开始,当时作为NAND Flash的主导企业三星电子 对此架构很是不屑,依旧我行我素大力推行SLC架构。第二年也就是2004年4月东芝接续推出了采用MLC技术的4Gbit和8Gbit NAND Flash,显然这对于本来就以容量见长的NAND闪存更是如虎添翼。三星电子长期以来一直倡导SLC架构,声称SLC优于MLC,但该公司于2004和2005年发表的关于MLC技术的ISSCC论文却初步显示它的看法发生了转变。三星在其网站上仍未提供关于MLC闪存的任 何营销材料,但此时却已经开发出了一款4Gbit的MLC NAND闪存。该产品的裸片面积是156mm2,比东芝的90nm工艺MLC NAND闪存大 了18m㎡。两家主流NAND闪存厂商在MLC架构上的竞争就从这时开始正式打响了。除了这三星和东芝这两家外,现在拥有了英特尔MLC技术的IM科技 公司更是在工艺和MLC上都希望超越竞争对手,大有后来者居上的冲劲。MLC技术的竞争就这样如火如荼地进行着。

另一方面我们再来看看SLC技术,存取原理上SLC架构是0和1两个充电值,即每Cell只能存取1bit数据,有点儿类似于开关电路,虽然简单但却 非常稳定。如同电脑的CPU部件一样,要想在一定体积里容纳更多的晶体管数,就必须提高生产工艺水平,减小单晶体管体积。目前SLC技术受限于低硅效率问 题,要想大幅度提高制程技术就必须采用更先进的流程强化技术,这就意味着厂商必须更换现有的生产设备,投入大不说而且还是个无底洞。而MLC架构可以一次 储存4个以上的充电值,因此拥有比较好的存储密度,再加上可利用现有的生产设备来提高产品容量,厂商即享有生产成本上的优势同时产品良率又得到了保证,自 然比SLC架构更受欢迎。

既然MLC架构技术上更加先进,同时又具备成本和良率等优势,那为什么迟迟得不到用户的认同呢。除了认识上的误区外,MLC架构NAND Flash 确实存在着让使用者难以容忍的缺点,但这都只是暂时的。为了让大家能更直观清楚地认识这两种架构的优缺点,

我们来做一下技术参数上的对比。

首先是存取次数。MLC架构理论上只能承受约1万次的数据写入,而SLC架构可承受约10万次,是MLC的10倍。这个1万次指的是数据写入次数,而非数据写入加读取的总次数。数据读取次数的多寡对闪存寿命有一定影响,但绝非像写入那样严重,这个寿命值正随着MLC技术的不断发展和完善而改变着。MLC技术并非一家厂商垄断,像东芝(Toshiba)已生产了好几代MLC架构NAND闪存,包括前不久宣布和美国SanDisk公司共同开发的采用最先进56nm工艺的16Gb(2gigabyte)和8Gb(1gigabyte)MLC NAND闪存,以及单芯片16G、32G。

东芝在MLC闪存设计方面拥有经验与技术,去年东芝利用90nm工艺与三星的73nm产品竞争。东芝90nm MLC闪存的位密度达29 Mbits/ mm2,超过了三星的73nm闪存(位密度为25.8 Mbits/mm2)。对于给定的存储密度,东芝闪存的裸片面积也比三星的要小。例如东芝的4-Gbit 90nm NAND裸片面积是138 mm2,而三星的4-Gbit 73nm NAND裸片面积是156 mm2,这使东芝在成本方面更具竞争力。三星方面现在正奋起直追,与东芝之间的竞争异常激烈。再加上IMFT、海力士等厂商的参与,MLC技术发展势头迅猛,今天MLC NAND Flash写寿命还只有1万次,明天也许就会是2万次、3万次甚至达到与SLC同等级别的10万次,这是有可能的。TLC虽然现在只有寿命只有1000次,但是随着技术的发展肯定会提升读写寿命的。

拿MLC NANDFlash的写寿命我们一起来算笔帐,假如近期笔者购买了一款2GB容量u盘,闪存是东芝产的MLC架构NAND Flash,理论上只能承受约1万次数据写入。笔者是个疯狂的音乐爱好者,每天都要更新一遍闪存里的歌曲文件,这样下来一年要执行365次数据写入,1万次可够折腾至少27年的,去除7年零头作为数据读取对闪存寿命的损耗,这款u盘如果其它部件不出问题笔者就可以正常使用至少20年。20年对于一款电子产品有着怎样的意义?就算笔者恋旧,也不可能20年就用一款u盘吧。况且就算是SLC架构,闪存里的数据保存期限最多也只有10年,1万次的数据写入寿命其实一点儿也不少。

第二是读取和写入速度。在目前技术条件下,MLC芯片理论速度只能达到6MB左右。SLC架构比MLC架构要快速三倍以上。这里仍存在认识上的误区,所有闪存芯片读取、写入或擦除数据都是在闪存控制芯片下完成的,闪存控制芯片的速度决定了闪存里数据的读取、擦除或是重新写入的速度。可能你会拿现成的例子来辩驳,为什么在同样的控制芯片、同样的外围电路下SLC速度比MLC快。首先就MLC架构目前与之搭配的控制技术来讲这点笔者并不否认,但如果认清其中的原因你就不会再说SLC在速度方面存在优势了。SLC技术被开发的年头远早于MLC技术,与之相匹配的控制芯片技术上已经非常成熟,笔者评测过的SLC产品数据写入速度最快能达到9664KB/s(KISS KS900),读取速度最快能达到13138KB/s(mobiBLU DAH-1700),而同样在高速USB2.0接口协议下写入速度最慢的还不足1500KB/s,读取速度最慢的也没有超过2000KB/s。都是SLC闪存芯片,都是高速USB2.0接口协议,为什么差别会如此大。闪存控制芯片效能低,且与闪存之间的兼容性不好,这类产品不仅速度慢而且在数据操作时出错的概率也大。这个问题在MLC闪存刚投入市场时同样也困扰着MLC技术的发展擎泰科技(Skymedi Corporation)为我们带来的新一代高速USB2.0控制芯片SK6281及SD 2.0/MMC 4.2的combo快闪记忆卡控制芯片SK6621,在MLC NAND闪存的支持与速度效能上皆有良好表现。其所支持的MLC芯片已经达到了Class4的传输速度。

MLC NAND Flash自身技术的原因,只有控制芯片效能够强时才能支持和弥补其速度上的缺点,支持MLC制程的控制芯片需要较严格的标准,以充分发挥NAND闪存芯片的性能。擎泰科技所推出的系列控制芯片经过长时间可靠性测试及针对不同装置兼容性进行的比对较正,已能支持目前市场主流的MLC 闪存,此外,藉由良好的韧体设计,可大幅提升性能,达到最高的存取速度,例如:SK6621支持MLC可到Class4水准,其所支持SLC皆可支持到Class6的传输速度。SK6281还达到了Vista ReadyBoost速度的需求(Enhanced for Windows ReadyBoost),且支持单颗MLC时可达22MB/s的读取速度及6MB/s的写入速度,综合下来并不比SLC慢多少。你手上的MP3播放器USB传输速度慢并不全是因为闪存芯片采用了MLC架构,它与控制芯片的关系要更加密切一些。比如有两款采用Rockchip芯片的产品,测试时写入速度有2、3倍优势的应该是SLC,而速度上稍慢的则是MLC。即使同样采用了USB2.0高速接口的MP3,也不能改变MLC写入慢的缺点。而TLC在通道不发生变化的时候则更慢。

第三是功耗。SLC架构由于每Cell仅存放1bit数据,故只有高和低2种电平状态,使用1.8V的电压就可以驱动。而MLC架构每Cell需要存放多个bit,即电平至少要被分为4档(存放2bit),所以需要有3.3V及以上的电压才能驱动。最近传来好消息,英特尔新推出的65纳米MLC写入速度较以前产品提升了二倍,而工作电压仅为1.8V,并且凭借低功耗和深层关机模式,其电池使用时间也得到了延长。再者,MLC能耗比SLC高,在相同使用条件下比SLC要多15%左右的电流消耗。

第四是出错率。在一次读写中SLC只有0或1两种状态,这种技术能提供快速的程序编程与读取,简单点说每Cell就像我们日常生活中使用的开关一样,只有开和关两种状态,非常稳定,就算其中一个Cell损坏,对整体的性能也不会有影响。在一次读写中MLC有四种状态(以每Cell存取2bit为例),这就意味着MLC存储时要更精确地控制每个存储单元的充电电压,读写时就需要更长的充电时间来保证数据的可靠性。它已经不再是简单的开关电路,而是要控制四种不同的状态,这在产品的出错率方面和稳定性方面有较大要求,而且一旦出现错误,就会导致2倍及以上的数据损坏,所以MLC对制造工艺和控制芯片有着更高的要求。目前一些MP3主控制芯片已经采用了硬件4bitECC校验,这样就可以使MLC的出错率和对机器性能的影响减小到最低。

第五是制造成本。为什么硬盘容量在成倍增大的同时生产成本却能保持不变,简单点说就是在同样面积的盘片上存储更多的数据,也就是所谓的存储密度增大了。MLC技术与之非常类似,原来每Cell仅存放1bit数据,而现在每Cell能存放2bit甚至更多数据,这些都是在存储体体积不增大的前提下实现的,所以相同容量大小的MLC NAND Flash制造成本要远低于SLC NAND Flash。

第六是FLASH一般来说,以K9G或K9L为开头型号的三星闪存则是MLC,以HYUU或HYUV为开头型号的现代闪存应是MLC。

综上所述,MLC技术是今后NANDFlash的发展趋势,就像CPU单核心、双核心、四核心一样,MLC技术通过每Cell存储更多的bit来实现容量上的成倍跨越,直至更先进的架构问世。而SLC短期内仍然会是市场的佼佼者,但随着MLC技术的不断发展和完善,SLC必将退出历史的舞台。

如果说MLC是一种新兴的闪存技术,那么它的“新”就只体现在:成本低!
虽然MLC的各项指标都落后于SLC闪存。但是MLC在架构上取胜SLC,MLC肯定是今后的发展方向,而对于MLC传输速度和读写次数的问题已经有了相当多的解决方法,例如采用三星主控芯片,wear 
leveling技术,4bit ECC校验技术,都可以在采用MLC芯片的时候同样获得很好的使用效果,其性能和使用SLC芯片的没有什么差别,而会节省相当多的成本

再看来看TLC

      如同上一波SLC技术转MLC技术趋势般,这次也是由NAND Flash大厂东芝(Toshiba)引发战火,之后三星电子(SamsungElectronics)也赶紧加入战局,使得整个TLC技术大量被量产且应用在终端产品上。TLC芯片虽然储存容量变大,成本低廉许多,但因为效能也大打折扣,因此仅能用在低阶的NAND Flash相关产品上,象是低速快闪记忆卡、小型记忆卡microSD或随身碟等。象是内嵌世纪液体应用、智能型手机(Smartphone)、固态硬碟(SSD)等技术门槛高,对于NAND Flash效能讲求高速且不出错等应用产品,则一定要使用SLC或MLC芯片。
 
     ,从2010年第1季43亿美元下降至41亿美元,减少6.5%。
 
       U盘中使用的闪存芯片: 

 

       需要说明的闪存的寿命指的是写入(擦写)的次数,不是读出的次数,因为读取对芯片的寿命影响不大。

下面是SLC、MLC、TLC三代闪存的寿命差异:

        SLC 利用正、负两种电荷  一个浮动栅存储1个bit的信息,约10万次擦写寿命。

        MLC 利用不同电位的电荷,一个浮动栅存储2个bit的信息,约5K-1W次擦写寿命,SLC-MLC【容量大了一倍,寿命缩短为1/10】。

        TLC 利用不同电位的电荷,一个浮动栅存储3个bit的信息,约500-1000次擦写寿命,MLC-TLC【容量大了1/2倍,寿命缩短为1/20】。

SLC(Single-Level Cell)即1bit/cell,速度快寿命长,价格昂贵(约MLC 3倍以上的价格),约10万次擦写寿命;

MLC(Multi-Level Cell)即2bit/cell,速度一般寿命一般,价格一般,约5000---10000次擦写寿命;

TLC(Trinary-Level Cell)即3bit/cell,有的Flash厂家也叫8LC,速度慢,寿命短,价格便宜,约500次擦写寿命,目前还没有厂家超过1000次

 闪存产品寿命越来越短,现在市场上大多是TLC闪存做的产品了。

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