得益于固態(tài)存儲的性能優(yōu)勢，SSD（固態(tài)硬盤）應(yīng)用十分廣泛。除了生活中常見的筆記本電腦外，SSD還應(yīng)用于車載、工控、視頻監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)終端、電力、醫(yī)療、航空、導航設(shè)備等領(lǐng)域。
目前，消費級SSD常見容量包括256GB、512GB、1TB、2TB、4TB這幾種，企業(yè)級SSD容量則更大一些，可達16TB、32TB、64TB、甚至128TB。
這并不是SSD容量的“天花板”，未來存儲廠商還將讓SSD容量突破300TB，甚至達到1024TB。
一
SSD狂飆：未來十年單顆容量可達1PB
近日，三星電子對外表示，預(yù)計在未來十年單顆SSD的容量可達1PB（1024TB）。
△Source：三星半導體
資料顯示，三星于2016年推出16TB的SSD，2017年推出32TB的SSD，2019年年末開發(fā)出64TB SSD，2021年開發(fā)出基于QLC的128TB原型SSD。
與上述容量相比，1PB SSD容量巨大，如何實現(xiàn)？三星介紹，物理縮放技術(shù)、邏輯縮放技術(shù)和封裝技術(shù)的日益成熟，加速推動3D NAND的發(fā)展，三星通過上述三項技術(shù)不斷追求探索高容量SSD。
△Source：三星半導體
其中，物理縮放技術(shù)包括三種技術(shù)，分別為橫向/垂直收縮（一種減少每個存儲單元大小的方法）、垂直堆疊技術(shù)（一種添加更多WL堆棧的方法，從而增加內(nèi)存單元的數(shù)量）、電池在外圍技術(shù)（一種減少硅面積的方法，把外圍電路放在存儲單元下面），用于提高性能和降低成本，以響應(yīng)應(yīng)用程序和系統(tǒng)處理需求的變化。
邏輯縮放技術(shù)，例如QLC技術(shù)——涉及到尋找在單個單元中存儲更多比特的方法，以便SSD可以保存更多的數(shù)據(jù)，同時保持輕便和緊湊。QLC技術(shù)可以使每個設(shè)備每個單元存儲4位，相比TLC存儲密度提高33%。
封裝技術(shù)是開發(fā)高容量產(chǎn)品的關(guān)鍵，三星已經(jīng)有能力批量生產(chǎn)32Die堆疊封裝（32 die-stack packaging）。
無獨有偶，另一家存儲相關(guān)廠商Pure Storage也在積極探索更高容量SSD。今年3月初，該公司表示，到2025-2026年，公司將推出300TB NVMe SSD。他們計劃使用定制的SSD主控搭配3D NAND閃存，用于FlashArray系統(tǒng)，并在定制的FlashBlade操作系統(tǒng)上運行。
二
邁向PB級容量，PLC與千層NAND Flash大有可為？
隨著數(shù)據(jù)中心等新型技術(shù)與應(yīng)用不斷發(fā)展，海量存儲需求下，大容量SSD成為發(fā)展大勢。業(yè)界預(yù)測，本世紀30年代時，PLC閃存與千層堆疊可能會成為PB級SSD的主流之選，閃存顆粒與堆疊技術(shù)重要性將進一步凸顯。
1
閃存顆粒
SSD由主控芯片、閃存顆粒與緩存顆粒組成，閃存顆粒在SSD中負責存儲數(shù)據(jù)，占據(jù)了SSD 70%-80%的成本，并對SSD性能有決定性影響?？梢哉f，要實現(xiàn)SSD更強的性能、更大的容量，閃存顆粒是關(guān)鍵。
當前SSD閃存顆粒主要是NAND Flash，根據(jù)電子單元密度的差異，NAND Flash可分為SLC、MLC、TLC、QLC、PLC，這五種閃存顆粒每單元可存儲的信息是層層遞進的，以主流TLC為例，其又可被稱作三層式存儲，成本低，質(zhì)量、讀寫速度以及壽命可以滿足普通消費者需求，因而被廣泛應(yīng)用于SSD市場。
TLC之后是QLC——四層式存儲，具有存儲密度大、成本低的優(yōu)勢，三星128TB原型SSD就是基于QLC打造。
相比TLC，PLC在相同的空間內(nèi)帶動SSD容量的進一步擴大。去年8月，Solidigm展示了全球首款正在研發(fā)的PLC SSD，其表示，在相同的空間內(nèi)，使用PLC SSD存儲數(shù)據(jù)量可增加25%，可以用來解決固態(tài)存儲未來的成本、空間和能耗等問題。該款SSD將首先用于數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品，具體發(fā)布和上市時間待定。
SLC、MLC、TLC、QLC、PLC，NAND Flash容量逐步提升，因此，部分業(yè)界人士看好PLC在PB級SSD中的應(yīng)用。不過，從SLC到PLC，容量雖然提升，但性能、可靠性、壽命并未隨之優(yōu)化，PLC SSD的商用落地，仍需要解決上述問題。
2
閃存堆疊
閃存堆疊技術(shù)對SSD容量同樣也至關(guān)重要，3D NAND Flash的出現(xiàn)，比以往的2D NAND Flash提供了更大存儲空間，滿足了業(yè)界日益增長的存儲需求，因而成為主流。
目前3D NAND Flash已經(jīng)突破200層，大廠方面，三星第8代V-NAND層數(shù)達到了236層，采用TLC閃存；美光232層NAND Flash已經(jīng)量產(chǎn)出貨；鎧俠和西部數(shù)據(jù)近期宣布，推出218層3D NAND閃存。
此外，SK海力士238層NAND Flash計劃于今年上半年量產(chǎn)，該公司采用的是4D架構(gòu)方式。
未來存儲廠商將持續(xù)發(fā)力更高層數(shù)NAND Flash，美光232層之后，計劃推出2YY、3XX與4XX等更高層數(shù)產(chǎn)品；鎧俠與西數(shù)兩家公司2032年之前還將陸續(xù)推出200層以上、300層以上、400層以上與500層以上閃存技術(shù)；SK海力士在近期的ISSCC會議上，展示了300層堆疊第八代3D NAND Flash存儲器原型，計劃兩年內(nèi)上市；三星則計劃在2030年前實現(xiàn)1000層NAND Flash，此舉也將助力三星之后推出1PB SSD。
美光閃存技術(shù)路線（Source：美光）
西數(shù)、鎧俠閃存技術(shù)路線（Source：西數(shù)）
3D NAND Flash層數(shù)堆疊前景美好，但與PLC一樣，層數(shù)不斷提高的過程中，也面臨不少挑戰(zhàn)。比如時間成本，隨著層數(shù)的增加，生產(chǎn)時間成本隨之上升；再比如良率問題，層數(shù)的增加，對良率也會形成嚴峻的挑戰(zhàn)。
結(jié) 語
盡管當前PLC與3D NAND Flash層數(shù)堆疊演進遇到了一定阻礙，但隨著業(yè)內(nèi)對存儲需求不斷攀升，大廠持續(xù)發(fā)力閃存創(chuàng)新技術(shù)，SSD容量將持續(xù)提高，并隨著時間積累，不斷朝PB級SSD的時代邁進。
封面圖片來源：拍信網(wǎng)
