漫谈QLC其三：QLC NAND的主流应用

前文所述，老四QLC在争议中成长，已进入当打之年，凭借性能、寿命、容量和价格极致性价比的特性，配合主控和固件纠错能力和算法方案的日渐成熟，进入到消费级SSD和企业级SSD主战场，如今市面上有多款已量产的消费级和企业级QLC SSD，进入商用。

QLC NAND的典型参数

QLC NAND在三哥TLC NAND光芒映衬下，起初有些暗淡，经过闪存产业三到四代产品的打磨和提升，如今QLC NAND实际主要参数超出了用户的传统认知，如下表：

行业主流QLC 闪存芯片参数范围(源于网络整理)

1）NAND IO接口速度，和TLC相同，1.6GT/s~2.4GT/s。

2）单Die大小，QLC是TLC的2倍。

3）Page读tR时间，QLC是TLC的2倍；但在SLC模式下，QLC和TLC的tR基本相同。

4）Page写tP时间，QLC较TLC更慢，是其5倍时间；但在SLC模式下，QLC和TLC的tP基本相同。

5）寿命方面PE Cycle, QLC已大幅改善。

总结：相比较TLC，QLC NAND IO接口速度相同，单Die容量更大，性能上读写擦速度会慢，但在SSD使用模式上使能SLC block模式，读写速度基本相同，性能慢的缺点会被遮掩。

QLC在消费级SSD中的应用

消费级SSD按产品定位，根据性能档位分为高端和中低端产品，QLC NAND面世初期，由于较低的NAND颗粒性能，一般定位于中低端消费级SSD产品，产品定价低于TLC SSD，走极致性价比产品路线，获得不错销量。

如今QLC NAND颗粒在接口速度，SLC block模式下读写性能等参数已不输于TLC NAND，QLC SSD性能跑分上可以跻身高端产品，但价格低于TLC 20%以上，无论对零售、渠道SSD用户，还是PCOEM用户，大幅降低了采购成本，QLC SSD无疑是不错的选择。

按照消费级PCOEM SSD产品未来预测，2023年QLC SSD占比已大于15%，凭借和TLC SSD相同的性能但更低的价格，采购QLC SSD的比例将大幅增加。Retail SSD市场中，QLC SSD的极致性价比特性，用户将会采购更多比例的QLC SSD。

来源：网络

QLC在企业级SSD中的应用

目前许多数据中心大量部署了成本较低的机械硬盘（HDD），以满足不断增长的存储容量需求，但机械硬盘无法满足现代工作负载对数据更快读取访问速度的需求。机械硬盘还会占据数据中心的较大面积，因而会增加空间、电源、散热和替换方面的成本。

一些数据中心采取的策略是将较慢、较笨重的机械硬盘，更换为更快的企业级TLC SSD。TLC SSD适用于混合和写入繁重的工作负载，如高速读写应用，但采用TLC SSD未经过成本和容量优化，难以满足以读取密集型业务为中心的大规模数据需求。

1） QLC SSD vs TLC SSD:

相比较企业级TLC SSD，企业级QLC SSD性能和寿命更低，但其大容量和性价比特性让QLC SSD成为TLC SSD的补充。QLC SSD更适合读取密集型和部分读写混合型业务，例如机器学习ML、人工智能AI、内容交付网络等。

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要确定企业级QLC SSD是否与您的工作负载匹配，遵照以下特征：

a.带宽：读取数据高速度高带宽。
b.延迟：低延迟和高服务质量，有助于数据快速返回。
c.业务模型：读取密集型（顺序或随机），大数据块数据读写工作负载。
d.数据块大小：大数据块。

2） QLC SSD vs HDD:

相比较HDD，企业级QLC SSD更加轻便，性能更高，功耗更低，容量更大，因此QLC SSD最终的目标是为了取代HDD机械硬盘。

企业级QLC SSD目前面临的挑战是，每GB成本是HDD的5-6倍，这是目前取代HDD最大的障碍。HDD凭借成本上优势，依然占据数据中心数据总量的85%，主要应用于温存储对象存储和冷存储归档存储等业务中。

但未来从NAND成本角度来看，其堆叠层数依然可以继续增加，带来成本不断的下降，其下降速度明显大于HDD成本下降的速度，未来追上HDD每GB成本的3倍甚至1倍只是时间问题，我们终究可以等到这一天的到来，我们将答案留给时间。

a.性能对比：

QLC SSD顺序读性能是HDD的25倍，随机读性能是HDD的5700倍，平均延迟是HDD的1/23，性能方面完全碾压HDD。

b.寿命和耐久度对比：

过去，用户会认为QLC SSD的寿命和耐久度较差，实际上QLC SSD的寿命和耐久度超出了用户传统的认知。

首先QLC SSD具有更大的容量，能够将磨损分散到更大的区域，企业级QLC SSD DWPD（每日写入量，代表寿命的一种参数）可以做到0.5，而HDD DWPD只有0.09，是它的5倍多。

其次QLC SSD实际应用下的耐用性要求通常远超出企业的预期，对于绝大多数企业用户来说，因为99%的系统最多只使用了其硬盘15%的额定寿命（2020年2月USENIX大会），大多数固态盘在使用的过程中，只会消耗一小部分固态盘寿命，因此转向QLC SSD寿命上没有风险。

c.UBER和AFR对比：

QLC SSD的UBER（读取数据错误比特率）是10-17，而HDD的UBER是10-15，是其的1/100。

年失效率或返盘率方面，USENIX研究发现，QLC SSD的平均年失效率（AFR）介于0.07%和近1.2%之间，机械硬盘为2.9%。通过比较这两个数据，QLC SSD AFR相比机械硬盘低7.5到28倍。

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d.TCO对比：

数据中心的存储TCO包括一次性采购费用（CapEx）和运营支出费用（OpEx）。

一次性采购费用基于有效容量的购买。有效容量以有效TB(TBe)表示，是经过复制、容量利用和数据精简后的实际可用存储空间。

有效容量对TCO具有较大的影响，由于需要提供冗余，并满足性能要求，用户购买的总原始存储在成本上具有乘数效应。存储解决方案提供商在描述每TB存储成本时通常将有效容量作为宣传点。

数据精简是所存储主机数据与所需物理存储的比率，数据精简可帮助用户存储超过物理硬件能力的更多数据，所以产生的有效容量会增加，或者大幅降低满足“有效容量”要求所需的原始存储容量

精简数据有两种方法：压缩和重复数据删除技术，压缩数据有压缩比如2：1，重复数据删除，将相同的重复数据在存储中只保留一份， 这些技术某些仅在全闪系统中实现，HDD中并未实现。

举例来说，Facebook的Zstandard压缩算法可实现超快的压缩和解压缩速度，远超机械硬盘的读/写能力，因而支持在固态盘上实时使用算法。此外，在VMware VSAN中，压缩和重复数据删除功能仅在全闪存配置中提供。

运营支出涵盖电源、散热和磁盘故障方面的成本，相比HDD，QLC SSD高出几十倍的性能/功耗比，单盘大容量带来单机架上采用更少硬盘数，以及更少的机架数带来的更小的总功耗和占地空间，长期来看更低的单盘故障率，大幅降低了运营支持。

最后：QLC应用的未来思考

综上所述，QLC NAND在消费级和企业级SSD领域中异军突起，找到一定的合适的应用场景，用户开始接受和拥抱QLC SSD，逐年采购比例的增长趋势已经确立，特别是大容量SSD应用场景。

既然QLC在SSD领域已经试水成功，未来进军消费类嵌入式eMMC、UFS领域也不是没有可能，目前已有原厂的UFS采用了QLC作为存储介质发布产品，这是一个开始，也是一种信号，或许不久的将来QLC在消费级嵌入式产品有更多的新品发布。