В электронике многоуровневая ячейка ( MLC ) — это ячейка памяти , способная хранить более одного бита информации, по сравнению с одноуровневой ячейкой ( SLC ), которая может хранить только один бит на ячейку памяти. Ячейка памяти обычно состоит из одного МОП-транзистора с плавающим затвором (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), таким образом, многоуровневые ячейки уменьшают количество МОП-транзисторов, необходимых для хранения того же объема данных, что и одноуровневые ячейки.
Трехуровневые ячейки ( TLC ) и четырехуровневые ячейки ( QLC ) представляют собой версии памяти MLC, которые могут хранить три и четыре бита на ячейку соответственно. Название « многоуровневая ячейка» иногда используется специально для обозначения « двухуровневой ячейки». В целом воспоминания называются следующим образом:
Обратите внимание, что эта номенклатура может вводить в заблуждение, поскольку « ячейка n -уровня» фактически использует 2n уровней заряда для хранения n битов (см. ниже).
Обычно по мере увеличения количества «уровней» производительность (скорость и надежность) и потребительские затраты снижаются; однако эта корреляция может варьироваться у разных производителей.
Примерами памяти MLC являются MLC NAND flash , MLC PCM ( память с фазовым изменением ) и т. д. Например, в технологии SLC NAND flash каждая ячейка может существовать в одном из двух состояний, сохраняя один бит информации на ячейку. Большая часть флэш-памяти MLC NAND имеет четыре возможных состояния на ячейку, поэтому она может хранить два бита информации на ячейку. Это уменьшает величину поля, разделяющего состояния, и приводит к увеличению количества ошибок. Многоуровневые ячейки, рассчитанные на низкий уровень ошибок, иногда называют корпоративными MLC ( eMLC ).
Новые технологии, такие как многоуровневые ячейки и 3D Flash, а также увеличение объемов производства будут продолжать снижать цены. [2]
Флэш-память хранит данные в отдельных ячейках памяти, которые состоят из MOSFET-транзисторов с плавающим затвором . Традиционно каждая ячейка имела два возможных состояния (каждое с одним уровнем напряжения), причем каждое состояние представляло либо единицу, либо ноль, поэтому один бит данных хранился в каждой ячейке в так называемых одноуровневых ячейках или флэш-памяти SLC. . Память SLC имеет преимущество более высокой скорости записи, более низкого энергопотребления и более высокой долговечности ячеек. Однако, поскольку память SLC хранит меньше данных на ячейку, чем память MLC, производство одного мегабайта памяти обходится дороже. Из-за более высокой скорости передачи данных и ожидаемого длительного срока службы флэш-технология SLC используется в высокопроизводительных картах памяти . В феврале 2016 года было опубликовано исследование, которое на практике показало небольшую разницу между надежностью SLC и MLC. [3]
Флэш-память с одноуровневой ячейкой (SLC) может иметь срок службы от 50 000 до 100 000 циклов программирования/стирания. [4]
Одноуровневая ячейка обозначает 1, когда почти пуста, и 0, когда почти заполнена. Между двумя возможными состояниями существует область неопределенности (запас чтения), в которой данные, хранящиеся в ячейке, не могут быть точно прочитаны. [5]
Основным преимуществом флэш-памяти MLC является ее более низкая стоимость на единицу хранения из-за более высокой плотности данных, а программное обеспечение для чтения из памяти может компенсировать более высокий уровень битовых ошибок . [6] Более высокая частота ошибок требует наличия кода исправления ошибок (ECC), который может исправлять множественные битовые ошибки; например, флэш-контроллер SandForce SF-2500 может исправлять до 55 бит на 512-байтовый сектор с частотой неисправимых ошибок чтения менее одного сектора на 10 17 прочитанных бит. [7] Наиболее часто используемый алгоритм — Бозе-Чаудхури-Хоквенгема ( код BCH ). [8] Другими недостатками MLC NAND являются более низкие скорости записи, меньшее количество циклов программирования/стирания и более высокое энергопотребление по сравнению с флэш-памятью SLC.
Скорость чтения для MLC NAND также может быть ниже, чем для SLC, из-за необходимости читать те же данные при втором пороговом напряжении, чтобы помочь устранить ошибки. Устройствам TLC и QLC может потребоваться считывать одни и те же данные до 4 и 8 раз соответственно, чтобы получить значения, которые можно исправить с помощью ECC. [9]
Флэш-память MLC может иметь срок службы от 1000 до 10 000 циклов программирования/стирания. Обычно это требует использования файловой системы флэш-памяти , которая разработана с учетом ограничений флэш-памяти, например, использование выравнивания износа для продления срока службы флэш-устройства.
Intel 8087 использовал технологию «два бита на ячейку» для своего ПЗУ микрокода [ 10] и в 1980 году был одним из первых устройств на рынке, использующих многоуровневые ячейки ПЗУ. [11] [12] Позже Intel продемонстрировала 2-битную многоуровневую ячейку (MLC) флэш-память NOR в 1997 году. [13] NEC продемонстрировала четырехуровневые ячейки в 1996 году с микросхемой флэш-памяти емкостью 64 Мбит , хранящей 2 бита на ячейку. В 1997 году NEC продемонстрировала чип динамической оперативной памяти (DRAM) с четырехуровневыми ячейками емкостью 4 Гбит. STMicroelectronics также продемонстрировала четырехуровневые ячейки в 2000 году с чипом флэш-памяти NOR емкостью 64 Мбит . [14]
MLC используется для обозначения ячеек, которые хранят 2 бита на ячейку, используя 4 значения или уровня заряда. 2-битный MLC имеет один уровень заряда, назначенный каждой возможной комбинации единиц и нулей, а именно: при заполнении около 25% ячейка представляет двоичное значение 11; когда значение близко к 50%, ячейка представляет собой 01; когда значение близко к 75%, ячейка представляет собой 00; а когда значение близко к 100%, ячейка представляет собой 10. Опять же, между значениями существует область неопределенности (запас чтения), в которой данные, хранящиеся в ячейке, не могут быть точно прочитаны. [15] [5]
По состоянию на 2013 год [обновлять]в некоторых твердотельных накопителях используется часть кристалла MLC NAND, как если бы это была одноразрядная SLC NAND, что обеспечивает более высокую скорость записи. [16] [17] [18]
По состоянию на 2018 год [обновлять]почти все коммерческие MLC имеют планарную основу (т.е. ячейки построены на поверхности кремния) и поэтому подлежат ограничениям масштабирования. Чтобы решить эту потенциальную проблему, отрасль уже ищет технологии, которые могут гарантировать увеличение плотности хранения данных за пределы сегодняшних ограничений. Одним из наиболее перспективных является 3D Flash, где ячейки располагаются вертикально, что позволяет избежать ограничений планарного масштабирования. [19]
В прошлом некоторые устройства памяти пошли другим путем и использовали две ячейки на бит, чтобы обеспечить еще более низкий уровень ошибок по битам. [20]
Enterprise MLC (eMLC) — более дорогой вариант MLC, оптимизированный для коммерческого использования. Он утверждает, что служит дольше и более надежен, чем обычные диски MLC, обеспечивая при этом экономию средств по сравнению с традиционными дисками SLC. Хотя многие производители твердотельных накопителей выпускают накопители MLC, предназначенные для корпоративного использования, только Micron продает необработанные чипы NAND Flash под этим обозначением. [21]
Трехуровневая ячейка ( TLC ) — это тип флэш-памяти NAND , в которой хранится 3 бита информации на ячейку. Toshiba представила память с трехуровневыми ячейками в 2009 году. [22]
При использовании современных технологий максимальный срок службы составляет до 3000 циклов программирования/стирания. [23]
Компания Samsung анонсировала тип флэш-памяти NAND, которая хранит 3 бита информации на ячейку с 8 общими состояниями напряжения (значениями или уровнями), что привело к появлению термина «трехуровневая ячейка» («TLC»). Компания Samsung Electronics начала его массовое производство в 2010 году [24] , и впервые он был использован в твердотельных накопителях Samsung серии 840 . [25] Samsung называет эту технологию 3-битным MLC. Негативные аспекты MLC усиливаются при использовании TLC, но преимущества TLC заключаются в еще более высокой плотности хранения и более низкой стоимости. [26]
В 2013 году компания Samsung представила V-NAND (Vertical NAND, также известную как 3D NAND) с трёхуровневыми ячейками, объём памяти которых составлял 128 Гбит . [27] Они расширили свою технологию TLC V-NAND до 256 Гбит памяти в 2015 году, [24] и 512 Гбит в 2017 году. [28]
Память, в которой хранится 4 бита на ячейку, обычно называется четырехуровневой ячейкой ( QLC ), следуя соглашению, установленному TLC . До своего изобретения термин «QLC» был синонимом MLC в отношении ячеек, которые могут иметь 4 состояния напряжения, то есть тех, которые хранят 2 бита на ячейку – то, что теперь однозначно называется DLC. [ нужна цитата ]
Из-за экспоненциально увеличивающегося числа требуемых ступеней напряжения для флэш-памяти более высокого уровня срок службы QLC дополнительно сокращается до максимума 1000 циклов программирования/стирания. [23]
В 2009 году Toshiba и SanDisk представили чипы флэш-памяти NAND с четырехуровневыми ячейками, хранящими 4 бита на ячейку и емкостью 64 Гбит. [22] [29]
Карты флэш-памяти SanDisk X4, представленные в 2009 году, были одними из первых продуктов на основе NAND-памяти, которая хранит 4 бита на ячейку, обычно называемую четырехуровневой ячейкой (QLC), с использованием 16 дискретных уровней заряда (состояний) в каждой. индивидуальный транзистор. Чипы QLC, использованные в этих картах памяти, были произведены компаниями Toshiba, SanDisk и SK Hynix . [30] [31]
В 2017 году Toshiba представила чипы памяти V-NAND с четырехуровневыми ячейками емкостью до 768 Гбит. [32] В 2018 году ADATA , Intel , Micron и Samsung выпустили несколько твердотельных накопителей, использующих память QLC NAND. [33] [34] [35] [36]
В 2020 году Samsung выпустила для клиентов твердотельный накопитель QLC емкостью до 8 ТБ. Это твердотельный накопитель SATA с самой большой емкостью хранилища для конечных клиентов по состоянию на 2020 год. [37] [38]