是未来还是鸡肋？首款消费级QLC SSD深度体验

不知大家是否还记得，当几年前寿命、性能不如MLC颗粒的TLC固态硬盘在市场上出现时，不少人对这类固态硬盘是非常抵触的，似乎只有使用MLC颗粒的产品才是值得购买的SSD。不过随着技术的发展、整个行业对TLC颗粒的大力支持，目前TLC颗粒已经“入住”大部分SSD。而就在消费者基本接受TLC颗粒的时候，一种理论技术指标比TLC还要差的QLC颗粒又出现了，有的人对这种颗粒是嗤之以鼻，有的人却说它是普及大容量SSD的“救世主”，那么QLC SSD到底能带来怎样的表现？接下来就请大家通过《微型计算机》的消费级QLC SSD首发测试来得出答案。

为什么会出现QLC颗粒，根本原因还是在于SSD的高价。可能有人会说2018年SSD不是才经历了一波降价吗？的确，但相对于机械硬盘来说，它们的价格还是偏高，在本文截稿时为止，希捷酷鱼1TB 7200转的机械硬盘价格为309元，而在相近价格下，我们只能买到256GB的固态硬盘。因此不论固态硬盘如何降价，它与机械硬盘之间还是存在很大的价差，很多人只用得起小容量的SSD。因此为了让普通人也能用上大容量固态硬盘，并推动固态硬盘的普及，厂商只能在固态硬盘中成本最大的部分即闪存颗粒上动脑筋。

▲几种不同的NAND工作时电压状态，从上向下分别为每个NAND存储单元存储一个数据的SLC、存储2个数据的MLC、存储3个数据的TLC和存储4个数据的QLC单元。

目前我们在市场上看到的SSD主要使用SLC、MLC和TLC三类颗粒。从名称来说，SLC也就是Single-Level Cell，单倍单元。MLC是指Multi-Level Cell，字面意思是多倍单元，实际上是指2倍。TLC是指Trinary-Level Cell，也就是三倍单元。从存储能力来看的话，SLC每单元只存储1bit数据（单倍），存储能力最差，但是速度和寿命最好，价格最为昂贵。MLC则是2bit（2倍），有一定改进，速度和寿命表现也不错，价格也比较贵；TLC则更强（3倍），每单元可以存储3bit数据，速度和寿命表现一般，价格便宜不少。

除了上述三种常见的颗粒外，目前最新上市的就是QLC颗粒，全称是Quad-Level Cell，字面意思是4倍单元，也就是每单元可以存储4bit数据。换句话来说，在使用相同数量、价格的原材料情况下，QLC颗粒的存储能力比TLC大了33%，是MLC的2倍，是SLC的4倍。因此QLC颗粒可以有效提升固态硬盘的存储容量或者降低在相同容量下，SSD的生产成本与售价。

不过有得必有失，闪存颗粒确定是否存在数据的方法是使用电压来衡量。如果浮栅的电压无法维持固定的值，那么单元会表现出错误的数据值。同时随着擦写次数增多，浮栅储存电荷的能力就会不断下降，随后颗粒电压会逐渐漂移。对于只存储1bit数据的SLC颗粒来说问题不大，它只需要有2个工作状态就可以确定数据了。

比如浮栅以电容拥有15V电压（估计值）作为数据0，0V作为数据1的话，那么两个状态之间存在巨大的差距使得任何测量设备都无法忽视，即使出现点问题也不是很难处理。假设SLC一开始单元中可以维持较高的电压差值，随着浮栅磨损电压差值逐渐漂移，只能以10V/3V甚至6V/2V、4V/1V进行判断，这在理论上也是完全可行的。足够高的电压差值使得SLC耐久性能极高，SLC的超长寿命正是来自于此。

同样的问题在MLC上就更复杂一些。假设依旧存在15V的电压差，MLC上判断数据状态也就是00，01，10，11四种状态，需要3个电压差才能确定。假设不同状态的电压差平均分布，那么MLC最理想状态下需要有四个状态，那就是15V、10V、5V、0V—相比SLC而言，MLC的两个相邻状态之间的电压差急剧缩小，只有5V（SLC则高达15V）。

从结构上来看，MLC的颗粒和SLC颗粒不存在任何差异，都会由于浮栅中电子不断逃逸而最终导致电压值变得不那么明显。SLC的“数据差值”高达15V，MLC只有5V的话，可能MLC经过长时间磨损后达到10V、8V、6V、3V时表征4个状态就已经很勉强了，如果继续磨损的话，MLC颗粒就可能无法清楚地表征4个状态从而走向报废的边缘。

继续看TLC的话，需要表征8种状态，每种状态代表3bit信息，分别是000，001，010，011，100，101，110，111，单元还是那个单元，但是电压状态更多了，在15V的范围内，存在8种状态会导致每种状态的电压差急剧缩小，平均只有大约不到2V，磨损导致电压漂移的空间极小。TLC这种极小的电压差，使得单元在长期使用后只要稍微出现电压漂移，就可能发生状态之间的“纠缠”，因此早期TLC的P/E寿命只有800～1000次，但是随着技术不断改进，TLC的寿命也在增加，目前已经能够提高到3000次左右。

▲需要存储16个状态，QLC颗粒几乎已经达到闪存存储的极限。

最后来看QLC颗粒的话，它需要表征16种状态，也就是每种状态代表4bit信息，在15V电压内，16种状态之间的电压差大约只有1V，这使得本来就不够耐久的电子磨损效应非常明显，从而导致电压漂移的NAND颗粒读写次数变得极为有限，部分数据显示早期QLC颗粒只有大约100次P/E全周期循环寿命。这个问题是否无解呢？

答案是否定的，去年在TLC颗粒上广泛应用的3D NAND即3D堆叠技术不仅提升了存储密度，还有效地延长了颗粒的使用寿命。原因很简单，堆叠技术使得人们可以使用40nm这样较老的工艺、通过多层堆积的方式提高单位数据密度。更老的工艺带来了更抗磨损的绝缘层，另外针对浮栅的改进也使得电子不那么容易逃逸。同时再加上材料绝缘性的改善、新算法的导入，存储上游厂商表示QLC颗粒的寿命已经能达到500～1000次P/E循环，这也使QLC SSD上市销售，真正供最终用户使用成为了可能。

当然在性能尤其是写入性能上的不足，QLC颗粒从理论技术上来看还无法克服这一障碍。这是因为QLC颗粒需要一次写入、读取4bit数据，再加上电压控制要求很高，因此其速度表现是不如MLC、TLC的。同时它的P/E编程时间相比MLC、TLC也更长一些，所以它的I/O性能也要差一些，访问延迟更高。

本次我们要测试的是三星推出的首款采用QLC颗粒的消费级SSD—860 QVO系列1TB。与采用TLC颗粒、最低容量产品可到250GB的三星860 EVO不同，得益于QLC颗粒的采用，三星860 QVO系列SSD的最低容量产品就达到1TB，另外还提供了2TB、4TB两种容量供用户选择。打开固态硬盘的外壳可以看到，这款产品采用的还是在860 PRO、860 EVO上就得到使用，工作频率达1GHz的三星MJX主控芯片，并搭配1GB LPDDR4缓存。

三星使用了64层 V-NAND 3D堆叠技术来生产QLC颗粒，这不仅使得单颗QLC颗粒的封装容量就达到了1TB，还令三星可以使用较老的工艺来生产3D堆叠颗粒，从而提升QLC颗粒的寿命。考虑到QLC颗粒写入性能一般，三星在860 QVO系列SSD上也加入了TurboWrite即SLC缓存机制—最低可提供6GB缓存容量，同时会根据固态硬盘可用容量大小提供36～72GB的“智能缓存”可用容量。

▲拆开三星860 QVO 1TB SSD的外壳，可以看到它的PCB面积非常小，不到外壳的一半，只有主控、缓存、闪存三颗芯片。

▲编号为“K9XVGY8J5M”的三星QLC闪存颗粒，单颗容量达到1TB，是制造大容量SSD的关键。

寿命方面，根据三星的官方数据来看，三星860 QVO 1TB SSD的保修写入量为360TB，即在达到这个写入容量前免费保修，2TB产品的保修写入量为720TB、4TB容量为1440TB。与采用TLC颗粒的860 EVO相比，它的保修写入量基本达到了TLC颗粒的50%以上，如860 EVO 1TB的保修写入量为600TB，2TB产品为1200TB，4TB为2400TB。总的来看，对于写入量不多的普通用户来说，QLC的规格倒也能接受。就算每天写入50GB，1TB产品要达到保修写入量也需要20年。当然三星860 QVO系列SSD的保修时间只有三年，就像汽车的保修时间与保修里程关系一样，以先到者为准。

▲三星860 QVO 1TB

▲西部数据蓝盘Blue系列1TB

▲三星860 QVO 1TB

▲西部数据蓝盘Blue系列1TB

测试点评：我们通过采用TLC颗粒、相同容量的西部数据蓝盘Blue系列与三星860 QVO 1TB SSD进行了对比，而从大家常用的AS SSD Benchmark来看，测试结果令人满意。不论是使用1GB容量还是10GB容量，三星860 QVO 1TB SSD的测试成绩都要稍高一些，在使用10GB容量测试时，也没有出现掉速。

▲三星860 QVO 1TB

▲西部数据蓝盘Blue系列1TB

测试点评：为此我们通过能使用更大测试容量的Anvil's Storage Utilities进行了更苛刻的测试。结果显示在32GB测试容量下（注：该软件在32GB容量测试时会生产一个32GB文件进行读取测试、一个32GB文件进行写入测试，实际写入量为64GB），三星860 QVO 1TB SSD的写入性能出现了掉速，其连续写入速度仅100MB/s出头，不过在读取性能上的表现还是不错，相对对比TLC SSD甚至有一定优势。

当然基准测试软件并不能完全反映SSD的真实表现，因此我们还会通过偏向应用性的测试与实际体验对三星860 QVO 1TB SSD进行测试，在接下来的测试中我们还加入了7200转的希捷酷鱼1TB机械硬盘来进行对比。

▲三星860 QVO 1TB

▲西部数据蓝盘Blue系列1TB

▲希捷酷鱼1TB机械硬盘

测试点评：在模拟如Photoshop、InDesign、After Effects等众多真实软件存储应用的PCMark 8存储性能测试中，TLC颗粒SSD还是显示出了其应有的实力，其4935分的得分位列第一，而三星860 QVO 1TB则紧随其后。落后的原因在于在一些应用中三星860 QVO 1TB的用时要多一些，不过差距很小，大多只多用时1～3秒。而与机械硬盘相比，QLC SSD则还是拥有压倒性的优势，机械硬盘在PCMark 8中的得分只有2563分，在很多应用中要多耗时20秒，甚至165秒接近3分钟。

测试点评：在文件读写测试中，为了发挥各款SSD的最大性能，我们特别搭配高性能的英特尔750系列 1.2TB NVMe SSD进行了测试。可以看到，在小容量文件读写中，得益于TurboWrite即SLC缓存，QLC SSD的表现不错，读写速度均能保持在SATA SSD中的较高水准。不过一旦读写大容量文件，如总共54GB影音文件时，其写入速度还是会明显下降到221.1MB/s，说明这款SSD的SLC缓存容量是小于54GB的。而在读取性能上，它则仍然维持在500MB/s以上的优秀表现。同时与机械硬盘对比可以看到，不论是进行大容量影音文件传输，还是偏重随机读写性能的《英雄联盟》安装文件传输，QLC SSD仍然具备非常明显的优势。

游戏启动体验中，也可以看到QLC SSD相对TLC SSD的确有一定差距，但差距不算太大，在“硬盘杀手”《奇点灰烬：扩展版》的启动中，三星860 QVO 1TB的耗时与TLC SSD相比也就多了不到4秒，同机械硬盘相比则将启动耗时缩短了足足24秒。

▲三星860 QVO 1TB HD TUNE全盘读取测试

▲三星860 QVO 1TB HD TUNE全盘写入测试

最后我们还通过HD TUNE全盘读写测试，探究了QLC闪存颗粒的最终读写性能。从读取性能上来看，QLC SSD与TLC SSD是没有明显差别的，甚至比一些TLC SSD更好，全盘连续读取平均速度都可以稳定在529.1MB/s。不过在写入测试上，差距则比较大—通过全盘写入测试，我们可以发现三星860 QVO 1TB的SLC缓存容量在40GB以上，但不到50GB。

在数据写入容量小于SLC缓存容量时，其写入速度可以达到450MB/s以上，接近500MB/s。一旦写入容量大于缓存容量，其写入速度就会大幅下跌至75MB/s～85MB/s左右的水平，而这也是QLC颗粒的真实写入性能，其全盘平均写入速度只有96.7MB/s。这个连续写入速度的确与机械硬盘相比也是有一定差距的，毕竟希捷酷鱼1TB机械硬盘的全盘平均连续写入速度也可达到149MB/s。

可以看到QLC SSD在读取性能上，相对现在的TLC SSD没有明显区别，可以说是非常接近的。而在SLC CACHE容量范围内的写入性能也能做到与TLC SSD相差不多，在大部分日常应用中相对于机械硬盘拥有压倒性的优势，其主要的弱点就是不适合大容量写入。因此我们认为，如果消费者一般没有动辄几十GB、上百GB的写入需求，特别是那些只想买一块SSD回来做游戏启动盘的玩家来说，结合QLC SSD的大容量优势、够用的寿命与相应的保修标准，QLC SSD也能满足消费者的使用需求。

不过QLC SSD的价格优势暂未体现出来，在本文截稿时三星860 QVO 1TB的售价为1149元，三星860 EVO 1TB的售价也就1299元，为了这100多元的价差放弃几百TB的写入寿命、更好的性能显然是缺乏诱惑力的。因此QLC SSD要想得到人们的接受，还需要厂商扩大生产规模，大幅、有力地降低QLC SSD的售价。