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寿命制约QLC的发展，专访纠错方案服务商，如何破局！

百家作者：闪存市场 2019-11-20 03:38:06

前言：随着5G逐步推广，我们的想象边际将被不断扩大，物联网、车联网、人工智能等领域将得到快速发展和普及，我们的生活也将被数字和运算包围，存储产业的发展将迎来新契机。IDC预测，到2023年全球数据总量将从2018年的33ZB增加到103ZB，2025年将进一步提高到175ZB，年复合增长率将达到61%。

为了满足海量数据存储需求，除了存储介质的不断创新，纠错程序也扮演着日益重要的角色。在此背景下，中国闪存市场ChinaFlashMarket专访了纠错方案服务商Codelucida联合创始人兼首席执行官Shiva Planjery，探讨什么样的纠错技术更能满足未来大容量存储需求以及Codelucida如何配合存储产业的飞速发展？

“大数据时代”机遇与挑战并存，低成本、高容量和高性能是未来存储设备的发展方向

据中国闪存市场ChinaFlashMarket数据，2019年全球半导体存储市场规模将达1100亿美元，ZB级海量数据存储需求带动下，市场规模也必将呈快速增长。据IDC预测，2019-2025年中国存储行业总体市场规模将保持每年7%以上复合增长率。

数据来源: IDC

虽然存储市场发展前景光明可期，但前进的路上仍有很多挑战克服。根据IDC数据，2018年产生的33ZB数据量中仅有5ZB保存下来，预计2023年产生的103ZB数据量中将只有12ZB被保存，数据保存率仅11.65%。未来大数据时代，数据将像石油一样珍贵，是未来社会发展的基石，如此“低的数据保存率”需要存储产业链企业通力合作，打通存储领域的“任督二脉”。

纵观全球六大核心原厂，到2019年，均已实现96层3D NAND量产，并向100+层3D NAND进军。另一方面，TLC 3D NAND Flash已经成为主流存储介质，西部数据、美光、铠侠（原东芝存储器）、英特尔均已经将TLC技术应用到企业级市场，QLC开始登上历史舞台。

QLC“登场”，TLC 将“退居”企业级市场，高效纠错程序成高密度闪存的“续命良药”

近年来，3D NAND发展飞速，从2014年三星量产32层128Gb TLC闪存颗粒，到2019年全球六大核心原厂均实现96层3D NAND量产，且西部数据宣布正式量产出货96层QLC 3D NAND(单颗Die容量1.33Tb)，单颗Die的容量已经增长超过10倍。

在高容量、低成本的市场需求驱动下，QLC逐渐成为消费类市场“新宠”。在近期西部数据召开的2019财年第四季度财务电话会议期间宣布已开始出货基于96层堆叠3D QLC闪存的产品，首批用于零售产品和移动SSD；市场消息，英特尔也已经开始产品策略转型，消费类产品将主推QLC+傲腾系列产品，TLC产品将主攻企业级市场；SK海力士也于今年5月份送样1Tb QLC NAND样品；三星在去年11月份发布了基于QLC技术的860 QVO SSD系列产品；美光也已经出货基于QLC NAND的SSD产品；铠侠（原东芝存储器）早在2017年就研发出96层QLC技术，并积极推进QLC的普及。

LDPC纠错加持下，TLC寿命“短板”逐步补齐，将大举进军企业级市场。NAND Flash从SLC发展到TLC、QLC，出错概率随着bit密度的增加而增大。自2014年三星发布全球首款面向企业级应用的TLC闪存固态硬盘“PM853T”之后，铠侠（原东芝存储器）英特尔、美光、SK海力士和西部数据相继推出企业级和数据中心市场应用的TLC固态硬盘。近日，西部数据更是推出新款企业级SSD UltraStar DCSS540，其寿命和可靠性更是被外媒赞为“坦克级”，耐久度最高可达10DWPD。

来源：中国闪存市场ChinaFlashMarket

TLC寿命的改善离不开纠错技术的发展。对于闪存技术如此飞速的发展，Shiva Planjery表示，“这是一个了不起的发展，主要由人工智能，物联网，大数据，数据分析等行业推动的更高容量存储需求的发展，是NAND Flash制造商通过研发创新技术得以实现的。但是随着技术的快速发展，堆叠层数的增加以及存储密度的增加，我们需要继续在所有支持技术上进行创新，以支持这种快速发展，这其中纠错技术起着举足轻重的作用，我们需要跟随着行业的发展继续创新。”

QLC时代，BCH纠错已不能满足需求，LDPC纠错才是正解

众所周知，QLC的P/E寿命仅为SLC的百分之一，随着每个cell里面电子数量的增多，擦写磨损、读写干扰、编程干扰影响会更加显著，当擦写次数增加时，内存中的氧化物层就会被破坏，使得捕获电子越来越困难，交叉概率增大。

来源：美光

LDPC纠错最显著的优势是在NAND Flash每个Page中纠正更多的错误，减少NAND Flash无谓的写入损耗，所以低密度奇偶校验（LDPC）码纠错性能远高于BCH，这也让NAND Flash的使用寿命即P/E(可编程擦写)次数得到大幅的提升，从而增强TLC SSD的使用寿命和耐用性。

Shiva Planjery表示，“回顾早期的NAND Flash时，回到SLC闪存和MLC闪存，存储器本身不那么容易出错，它们是可靠的因此只需要简单的纠错方案。那时使用的纠错技术称为BCH的传统纠错。但是随着3D NAND堆叠层数的不断增加，且TLC和QLC技术的不断发展，简单的BCH纠错方案已经不能满足用户的需求了，人们需要功耗更低、性能更强的LDPC解决方案，以便控制器能够支持最新闪存技术的推广和应用，不仅现在是这样，未来随着层数和密度的不断增加，也同样是这样。”

高度扩展性、低功耗的FAID LDPC纠错为高密度NAND闪存保驾护航

存储技术的发展离不开纠错技术，Shiva Planjery表示，随着存储单元所容纳的Bit数量会越来越多，对算法的纠错能力要求也会越来越高，通过高效的纠错方案可以在一定程度上扩展NAND闪存的耐用性。不仅对当代存储，对于下一代存储产品来说也是一样重要，随着密度的不断提高，同时性能要求也随着从PCIE第3代到第4代，甚至是第5代的过渡而不断提高，纠错成为至关重要的组成部分，并将能够启用并支持所有最新一代的NAND闪存。”

Codelucida认为，传统的LDPC解决方案可能消耗大量功率以满足不断增长的吞吐量要求，并倾向于依赖复杂的错误恢复方案和复杂的介质管理策略。特别是对于采用FPGA实现的闪存控制器，传统的LDPC解决方案由于所需资源太大而无法满足低成本FPGA的所需吞吐量，这对于在FPGA中实现闪存控制器的供应商来说是一项艰巨的挑战。

对于大容量闪存芯片最佳的纠错解决方案，Shiva Planjery表示，适用于高密度存储的LDPC纠错解决方案除了需要满足最新NAND存储的耐用性和保持力要求，还需要具有高度可扩展性，以便能够在不要求过多功率和面积的情况下实现最高性能，满足高可靠性、高容量和低功耗，而该解决方案的答案是Codelucida的 FAID LDPC纠错技术。”

3D TLC纠错性能

来源：Codelucida

3D QLC纠错性能

来源：Codelucida

FAID™使用独特的专利编码和解码算法，这些算法本身更简单但在纠错能力方面更强，以满足闪存的极低错误率要求。由FAID™实现的译码器和编码器复杂度如下图。吞吐量可以增加10倍，译码器复杂度仅增加2倍。即使对于更高的吞吐量，编码器复杂度仍保持相同，最多是译码器复杂度的7％。

来源：Codelucida

与主流LDPC相比，FAID LDPC技术优势！

Shiva Planjery解释道，“与主流LDPC相比，FAID LDPC纠错的主要区别在于算法。FAID基于独特的编码和解码算法，这些算法是根据多年的研究开发的，与当今行业中使用的算法完全不同。它们本质上更简单，因此它们可以降低硬件复杂性，但却能够实现最强大的纠错能力。

与传统的LDPC解决方案相比，Codelucida的 FAID™的主要优势包括：

单个 IP 核（单核）实例可实现 10 倍的吞吐量增长；
功耗和资源使用至少减少 2 倍，特别是对于高吞吐量应用；
纠错能力增加 10％-15％，因此可得到原始误码率（RBER）的增加；
错误率降低四个数量级，大大降低了使用读取重试或软读取的频率，从而降低延迟提高了驱动器性能；
不使用LLR，这极大地简化了闪存控制器的管理；
无误码平层可实现闪存存储的极低错误率要求。

Codelucida：中国存储产业快速发展，愿助力中国建立存储产业生态系统！

近年来，中国十分重视半导体产业的发展，也有一批优秀的厂商涌现出来。在存储领域，以长江存储和长鑫存储为代表，其中长江存储在今年9月份宣布量产基于Xtacking架构的64层3D NAND，长鑫存储DRAM产品亦进展顺利。

面对中国存储行业如此快速的发展，Shiva Planjery表示，“对中国存储行业的发展感到惊讶，如此多的支持和投资来全面开发本地制造的芯片和产品，从闪存控制器到SSD到存储芯片，DRAM芯片以及整体完整的存储系统。随着行业迅速发展包括性能和密度不断提高，高质量LDPC解决方案是必不可少的，这正是Codelucida的FAID解决方案的用武之地。”

Codelucida独有的技术可支持这一行业的趋势，并且在支持中国市场的增长中发挥至关重要的作用。Shiva Planjery支持并对中国发展本地生态系统的5年战略计划感到惊讶，Codelucida也将发挥重要作用，已经积极与多个客户，中国的潜在客户，中国的合作伙伴，及其它生态系统中的成员发展成为伙伴关系，期待一起建立并发展中国的存储生态系统。