افهم الفرق بين الدرجات المختلفة لشرائح SSD الخاصة بـ NAND Flash SLC وMLC وTLC وQLC

الاسم الكامل لـ NAND Flash هو Flash Memory، الذي ينتمي إلى جهاز ذاكرة غير متطاير (جهاز ذاكرة غير متطاير).وهو يعتمد على تصميم ترانزستور البوابة العائمة، ويتم إغلاق الشحنات من خلال البوابة العائمة.وبما أن البوابة العائمة معزولة كهربائياً، فإن الإلكترونات التي تصل إلى البوابة يتم احتجازها حتى بعد إزالة الجهد.هذا هو الأساس المنطقي لعدم التقلب فلاش.يتم تخزين البيانات في هذه الأجهزة ولن يتم فقدانها حتى في حالة إيقاف تشغيل الطاقة.
وفقًا لتقنيات النانو المختلفة، شهد NAND Flash الانتقال من SLC إلى MLC، ثم إلى TLC، وهو يتجه نحو QLC.يُستخدم NAND Flash على نطاق واسع في eMMC/eMCP، وقرص U، وSSD، والسيارات، وإنترنت الأشياء وغيرها من المجالات نظرًا لسعته الكبيرة وسرعة كتابته السريعة.

SLC (الاسم الكامل باللغة الإنجليزية (Single-Level Cell – SLC) هو تخزين أحادي المستوى
إن خاصية تقنية SLC هي أن طبقة الأكسيد الموجودة بين البوابة العائمة والمصدر تكون أرق.عند كتابة البيانات، يمكن التخلص من الشحنة المخزنة عن طريق تطبيق جهد على شحنة البوابة العائمة ومن ثم المرور عبر المصدر.أي أنه يمكن فقط لتغييرين في الجهد 0 و1 تخزين وحدة معلومات واحدة، أي 1 بت/خلية، والتي تتميز بالسرعة العالية والعمر الطويل والأداء القوي.العيب هو أن القدرة منخفضة والتكلفة مرتفعة.

MLC (الاسم الكامل باللغة الإنجليزية Multi-Level Cell - MLC) عبارة عن وحدة تخزين متعددة الطبقات
نجحت شركة إنتل (Intel) في تطوير MLC لأول مرة في سبتمبر 1997. وتتمثل مهمتها في تخزين وحدتين من المعلومات في بوابة عائمة (الجزء الذي يتم تخزين الشحنة فيه في خلية ذاكرة فلاش)، ثم استخدام الشحنة ذات الإمكانات المختلفة (المستوى )، قراءة وكتابة دقيقة من خلال التحكم في الجهد المخزن في الذاكرة.
أي 2 بت/خلية، كل وحدة خلية تخزن معلومات 2 بت، وتتطلب تحكمًا أكثر تعقيدًا في الجهد، وهناك أربعة تغييرات 00، 01، 10، 11، السرعة متوسطة بشكل عام، والعمر متوسط، والسعر متوسط، حوالي 3000-10000 مرة من محو وكتابة الحياة. يعمل MLC باستخدام عدد كبير من درجات الجهد، حيث تخزن كل خلية قطعتين من البيانات، وكثافة البيانات كبيرة نسبيًا، ويمكن تخزين أكثر من 4 قيم في المرة الواحدة.لذلك، يمكن أن تتمتع بنية MLC بكثافة تخزين أفضل.

TLC (الاسم الكامل باللغة الإنجليزية Trinary-Level Cell) عبارة عن وحدة تخزين ثلاثية المستويات
TLC هو 3 بت لكل خلية.تقوم كل وحدة خلية بتخزين معلومات 3 بت، والتي يمكنها تخزين بيانات أكثر بمقدار 1/2 من MLC.هناك 8 أنواع من تغيرات الجهد من 000 إلى 001، أي 3 بت/خلية.هناك أيضًا شركات تصنيع فلاش تسمى 8LC.وقت الوصول المطلوب أطول، وبالتالي فإن سرعة النقل تكون أبطأ.
ميزة TLC هي أن السعر رخيص، وتكلفة الإنتاج لكل ميجابايت هي الأدنى، والسعر رخيص، لكن العمر قصير، فقط حوالي 1000-3000 محو وإعادة كتابة الحياة، لكن جزيئات TLC SSD التي تم اختبارها بشدة يمكنها يمكن استخدامها بشكل طبيعي لأكثر من 5 سنوات.

QLC (الاسم الكامل باللغة الإنجليزية خلية رباعية المستوى) وحدة تخزين من أربع طبقات
يمكن أيضًا تسمية QLC بـ 4bit MLC، وهي وحدة تخزين من أربع طبقات، أي 4 بت/خلية.هناك 16 تغييرًا في الجهد الكهربي، ولكن يمكن زيادة السعة بنسبة 33%، أي أن أداء الكتابة وعمر المسح سينخفضان بشكل أكبر مقارنةً بـ TLC.في اختبار الأداء المحدد، أجرى المغنيسيوم تجارب.من حيث سرعة القراءة، يمكن أن تصل سرعة كل من واجهات SATA إلى 540 ميجابايت/ثانية.أداء QLC أسوأ في سرعة الكتابة، لأن وقت برمجة P/E أطول من MLC وTLC، والسرعة أبطأ، وسرعة الكتابة المستمرة من 520 ميجابايت/ثانية إلى 360 ميجابايت/ثانية، وانخفض الأداء العشوائي من 9500 IOPS إلى 5000 IOPS، خسارة ما يقرب من النصف.

ملاحظة: كلما زاد عدد البيانات المخزنة في كل وحدة خلية، زادت سعة كل وحدة مساحة، ولكن في نفس الوقت، يؤدي ذلك إلى زيادة حالات الجهد المختلفة، مما يصعب التحكم فيه، وبالتالي استقرار شريحة NAND Flash. يصبح أسوأ، ويصبح عمر الخدمة أقصر، ولكل منها مزاياه وعيوبه.

(حياة القراءة والكتابة لـ NAND Flash هي للإشارة فقط)
ليس من الصعب أن نرى أن أداء الأنواع الأربعة من ذاكرة فلاش NAND يختلف.تكلفة وحدة سعة SLC أعلى من تكلفة الأنواع الأخرى من جزيئات ذاكرة فلاش NAND، ولكن وقت الاحتفاظ بالبيانات أطول وسرعة القراءة أسرع؛تتمتع QLC بقدرة أكبر وتكلفة أقل، ولكن نظرًا لانخفاض موثوقيتها وطول عمرها، فإن أوجه القصور وأوجه القصور الأخرى لا تزال بحاجة إلى مزيد من التطوير.

ومن منظور تكلفة الإنتاج وسرعة القراءة والكتابة وعمر الخدمة، فإن تصنيف الفئات الأربع هو:
SLC>MLC>TLC>QLC؛
الحلول السائدة الحالية هي MLC وTLC.يستهدف SLC بشكل أساسي التطبيقات العسكرية وتطبيقات المؤسسات، مع كتابة عالية السرعة ومعدل خطأ منخفض ومتانة طويلة.تستهدف MLC بشكل أساسي التطبيقات المخصصة للمستهلكين، حيث تبلغ سعتها أعلى مرتين من SLC، ومنخفضة التكلفة، ومناسبة لمحركات أقراص USB المحمولة والهواتف المحمولة والكاميرات الرقمية وبطاقات الذاكرة الأخرى، كما أنها تستخدم على نطاق واسع في SSD المخصصة للمستهلكين اليوم .

يمكن تقسيم ذاكرة فلاش NAND إلى فئتين: بنية ثنائية الأبعاد وبنية ثلاثية الأبعاد وفقًا للهياكل المكانية المختلفة.تُستخدم ترانزستورات البوابة العائمة بشكل أساسي للفلاش ثنائي الأبعاد، بينما يستخدم الفلاش ثلاثي الأبعاد بشكل أساسي ترانزستورات CT والبوابة العائمة.هو أشباه الموصلات، CT هو عازل، وهما مختلفان في الطبيعة والمبدأ.والفرق هو:

هيكل ثنائي الأبعاد NAND Flash
يتم ترتيب البنية ثنائية الأبعاد لخلايا الذاكرة فقط في المستوى XY للرقاقة، وبالتالي فإن الطريقة الوحيدة لتحقيق كثافة أعلى في نفس الرقاقة باستخدام تقنية الفلاش ثنائي الأبعاد هي تقليص عقدة العملية.
الجانب السلبي هو أن الأخطاء في NAND flash تكون أكثر تكرارًا بالنسبة للعقد الأصغر؛بالإضافة إلى ذلك، هناك حد لأصغر عقدة عملية يمكن استخدامها، وكثافة التخزين ليست عالية.

هيكل ثلاثي الأبعاد NAND Flash
ولزيادة كثافة التخزين، طورت الشركات المصنعة تقنية 3D NAND أو V-NAND (NAND العمودية)، والتي تقوم بتكديس خلايا الذاكرة في المستوى Z على نفس الرقاقة.

في فلاش NAND ثلاثي الأبعاد، يتم توصيل خلايا الذاكرة كسلاسل رأسية بدلاً من سلاسل أفقية في 2D NAND، ويساعد البناء بهذه الطريقة على تحقيق كثافة بت عالية لنفس منطقة الشريحة.كانت منتجات الفلاش ثلاثية الأبعاد الأولى تحتوي على 24 طبقة.