SSD -----TLC MLC SLC

Posted 2020-07-21 zengkefu

SLC缓存什么鬼？TLC评测造假要持续多久

2016.5.5来源：中关村在线

TLC的廉价真的将SSD引入了全面普及的高速公路上，谈到TLC我们更多的理解是TLC的P/E（Program/Erase Count）是否经得起长时间的数据写入，但是这又是一个无解的案例，首先随着NAND Flash工艺的提升，NAND中存储数据的Cell（基本存储单元）栅极上的氧化层化学键更难控制，导致P/E次数随着工艺的提升而缩减，TLC NAND的P/E次数约为1000。

好在随着工艺和技术（3D NAND）的进步，NAND闪存的密度和容量不断提升，而又由于SSD的读写原理为均衡磨损，这意味着TLC NAND可以依靠不断增大的容量来减少单个Cell的磨损，以提升产品的使用寿命，据此原理240GB TLC SSD的寿命要比120GB长一倍，而480GB又会比240GB长一倍，所以随着产品容量的提升，TLC SSD的产品寿命似乎得到了很好的解决，毕竟后续SSD的容量会不断提升。

SLC、MLC、TLC的数据存储原理

可是TLC SSD还有一个致命的弱点，那就是读写速率慢，但回顾各大SSD厂商给出的官方数据抑或是各大媒体的评测数据，SSD的最大持续速率基本都接近MLC产品，似乎速度也不再是TLC SSD的问题了，但事实真是这样吗？从市售TLC SSD普遍采用了SLC Cache我们就能略窥一二，下面我们将通过几个问题为大家一一解读。

TLC SSD的SLC Cache是个什么鬼？

TLC SSD为了解决NAND Flash读写较慢的问题（后续论证），就为产品配备了SLC Cache，之所以称之为SLC Cache，是因为它并不是真正意义上的SLC NAND Flash，我们知道SLC NAND Flash因为每个Cell只存储1bit数据，所以读写速率全面领先MLC和TLC，TLC SSD里面配备的SLC Cache实际上是在既有的TLC NAND Flash里面划出一部分空间，在其中的每个Cell中只写入1bit的数据，以提升SSD的读写性能。

TLC SSD会依据SSD本身的容量划分一定比例的空间用于实现SLC Cache，不同的SSD厂商算法不同，一部分SSD会选择划定专属空间来充当SLC Cache，而这部分空间只有当SSD实际使用容量超过SSD本身容量减去SLC Cache之差后，就不再承担SLC Cache缓存义务，重新变成TLC区域，这样做的好处是SLC Cache专属区域只有实际使用容量超过临界值时才会被解散，在绝大多数没有达到临界值时，SLC Cache就可以全部参与为SSD读写加速，当然这样做也有坏处的，这块SLC Cache专属区域由于要面临最多数据量的读写，这块区域的P/E将会更快耗尽（SLC也有P/E）。

于是另外一部分SSD就选择了全盘动态划分SLC Cache区域，SLC Cache的大小会随着SSD的实际使用容量而变化，这样SLC Cache的空间虽然无法得到保证，但是由于是均衡磨损，也不会对全盘NAND Flash的P/E过分消耗。

无论是专属SLC Cache还是动态全盘SLC Cache，这些SLC Cache实实在在能够利用模拟的TLC NAND空间加速SSD的读写性能。

SLC Cache是怎么对评测软件作弊的？

要解释SLC Cache如何对评测软件作弊，首先我们还是来看看SLC Cache的工作原理，上面我们已经提到了SLC Cache实际是将TLC空间模拟成SLC进行数据读写以提升SSD的性能。不过SLC Cache既然是缓存区域，容量肯定不会大，TLC SSD会依据产品的容量设置具体的SLC Cache空间大小，以图示这款测试的TLC SSD来说其SLC Cache约为3GB，而实际耗费的TLC区块约为9GB。

SLC Cache也不可能长期将数据存储在其中，这样后续SSD写入的数据就要乖乖的去写TLC NAND区域，很显然SSD厂商不会这样做，这样就失去了SLC Cache加速的作用，于是SLC Cache在数据写入完成后，就会通过算法再将SLC Cache里面的数据重新写入到TLC NAND区域中，并擦除SLC Cache（NAND存储空间必须先擦除后才能再写入数据，不支持OverWrite），而这个重新写入数据的等待时间比较短，毕竟要面对冷不丁的数据写入。

那么评测软件作弊是什么回事儿呢？几乎所有的SSD评测软件在测试SSD时需要向SSD里面写入一定量的测试文件，以AS SSD Benchamrk为例，默认写入数据量为1GB，当然用户也可以手动设置测试写入数据量大小，最大为10GB。

这就是为什么在AS SSD Benchamrk测试过程中都是先测试持续写入的性能，很显然对于SLC Cache大于1GB的TLC SSD（实际TLC SSD SLC Cache空间均大于1GB）这些测试文件就会全部写入到SLC Cache当中，测试的写入性能就相当于测试模拟的SLC空间，这也是为什么我们看到的TLC SSD写入性能和MLC甚至是SLC不相上下的原因。

AS SSD Benchamrk首先进行持续写入性能测试

测试完持续写入性能，AS SSD Benchamrk紧接着就会测试持续读取性能，这个时候由于1GB的测试文件还在SLC Cache当中，读取这1GB文件就相当于也是读取模拟SLC空间。

AS SSD Benchmark接下来的测试项目也是大同小异，只不过读写文件的规则和规格发生了变化。

到这里我们来回忆下曾经的混合机械硬盘，你会发现TLC SSD的加速原理与之相类似，不同的是混合机械硬盘采用了外挂式SLC加速空间，而TLC SSD则是在自身存储空间上模拟SLC，除去性能上的差异，两者的设计优劣一目了然。

混合机械硬盘采用SLC NAND

混合机械硬盘采用了原生SLC NAND，其P/E次数可以达到10000次，而TLC的模拟SLC Cache实际还是基于TLC NAND，其P/E次数只有1000次，差了10倍之多。而且即使混合机械硬盘的SLC NAND挂掉，只不过是去掉了加速效果，实际的HDD存储空间还是可以照常使用，但TLC的SLC Cache就不一样，因为绝大多数写入数据都要使用SLC Cache模拟写入，SLC Cache本来不大的空间以及实际TLC P/E属性很难保证其耐久度。

除了耐久度，TLC SSD的SLC Cache因为要面临频繁的数据写入，而NAND闪存的特性--必须先擦除数据后才能再写入（不支持OverWrite），就需要在数据写入到SLC Cache后迅速的将数据再重新写入到TLC空间中，然后再擦除SLC Cache空间，这样原先被写入到SLC Cache中的数据就很难起到SLC Cache快速读取的功效。一般来说TLC SSD为了让SLC Cache保持命中率状态对写入到其中的数据短暂保存时间只有数秒之多。

这样再来看，你会发现原先SLC Cache缓存空间里面的测试数据读取性能就基本是一种很理想的性能状态，当然你也可以认为这是在作弊，除了读取性能在作弊，如果用户一次要写入大量的数据，则超过SLC Cache空间大小的那部分数据实际上也是得不到加速效果的。

TLC SSD的真实速率又是怎样的呢？

知道了TLC SSD的SLC Cache作弊后，我们再来看看真实的TLC SSD读写性能到底如何？这也是各大SSD厂商纷纷为旗下TLC SSD加入SLC Cache的背后原因。

为了真实的反映TLC SSD的性能，最简单的方法就是将测试数据区块扩大，在AS SSD Benchmark测试中，我们可以选择10GB测试区块大小，这样对于TLC SSD就有很大一部分不会被存储到SLC Cache当中，无论是写入阶段还是读取阶段就是真实的TLC速率。

AS SSD Benchmark 1GB测试块测试成绩

AS SSD Benchmark 10GB测试块测试成绩

上下两图为同一块TLC SSD在AS SSD Benchmark测试中，分别为1GB和10GB测试块大小进行持续读写性能测试的成绩。可以看到无论是写入性能还是读取性能都出现了明显的下滑，特别是写入性能方面直接折半。实际上由于10GB测试块中还有SLC Cache参与其中，所以这还不是纯粹的TLC SSD持续读写性能，真实的读写性能比测试的成绩还要稍低一些。

由于SLC Cache在SSD产品写完数据短时间内并不会将其转换为TLC数据，这个时候我们选择AS SSD Bechmark 10GB块测试，当数据写入超过3GB后（依据上方绿色进度条来判断）迅速终止进行下一次测试（或者测试完后迅速开始下一次测试），这个时候SLC Cache就不会参与到数据读写加速的过程当中，这个时候测试出来的写入成绩就是TLC SSD真实的速率。而读取速率由于实际的测试数据已经写入到TLC NAND当中，不会再转换到SLC Cache中，读取的数据同样能反应真实的TLC读取性能。

测试TLC SSD的真实持续读写性能

使用此方法，测试出的某款TLC SSD持续读写性能就是这样了，读取性能差别还不大，但到了写入性能方面，速率基本差了一倍。

对比上面的HD Tune Pro稳定态写入性能成绩，发现二者惊人的一致，这再一次证明了TLC SSD的实际写入性能实际并没有传统跑分数据那么漂亮。

小结

好了TLC SSD的SLC Cache解析到此告一段落，由于TLC SSD本身较弱的读写性能，SSD厂商于是就选择通过SLC Cache来加速读写性能，这一做法无可厚非，但是首先这些SLC Cache区域来自TLC NAND本身，无形中加大了SSD的磨损，其次SLC Cache由于本身NAND的特性，不支持Overwrite，写入的数据存储时间非常短，一旦SSD进入闲置状态，这些数据就会被清除，很难起到加速的作用。

但是SSD厂商这种投机取巧的做法却很好的蒙骗了一大批的存储测试软件，使得其测出的速率比肩MLC产品，给消费者一种假象。所以看到这儿关于TLCSSD，你是否有了一个理性的认知呢？