上图中，我左手拿着一块新石器时代的石器，出土于阿肯色州，由大约 7000 年狩猎采集时代的古人制作，用于加工野牛肉。在我的右手中则是新近上市的美光 25001 SSD，使用业界首批单片容量高达 1TB 的前沿 232 层 QLC NAND 芯片制造，能够存储高达 2 TB 的数据。这款 QLC NAND 芯片由美光爱达荷州博伊西和新加坡工厂开发。从石器时代到如今的硅片时代，上面的两件事物分别代表了各自时代单片工具技术的巅峰，堪称人类工程技术的奇迹，而它们之间仅仅相隔 7000 年。在我看来，这两种工具均彰显出人类对创造和创新的不懈追求。在本文中，我将揭秘美光如何始终走在技术前沿，开发出了这款划时代的 QLC 固态硬盘。
什么是 QLC NAND？为何这种技术很重要？
要真正理解存储领域的技术飞跃，我们需要先了解一些基础知识。NAND 闪存是一种非易失性存储介质，即使在断电情况下，也能保存二进制数据位。这种存储介质广泛用于 U 盘、iPod 和几乎所有现代 PC，用于存储个人数据、操作系统和各种应用程序。NAND 闪存之所以能保存数据，是因为它能操作常见的 MOSFET 晶体管来捕获和保持电子，而晶体管的状态则代表了逻辑二进制状态（0 或 1）。如果每个经过修改的晶体管（称为“单元”）都保存一个二进制数据位，我们称这种 NAND 为单层单元 (SLC) NAND。对 SLC NAND 而言，要保存一万亿位 (1Tb) 的数据，需要一万亿个单元。如果我们能以某种方式将 2 位数据保存在单个晶体管中，便能制造出多层单元 (MLC) NAND。以此类推，每单元保存 3 位数据的 NAND 称为三层单元 (TLC) NAND，保存 4 位数据的称为四层单元 (QLC) NAND。
我们可以用一个常见的事物来帮助理解上面的机制，想象我们有一只水桶。空桶代表二进制 1，装满水的桶则代表二进制 0。这是对 SLC NAND 单元的形象描述。接下来，如果我们能准确判断这支桶的状态是空桶、四分之一满、半满、四分之三满还是全满，就可以使用它来存储多个逻辑数据状态，也就是 MLC 单元！如果我们能将桶的状态进一步细分为 16 个不同的状态，就得到了 QLC 单元。接下来，把桶中的水换成几十个电子，把桶换成可捕获电子的纳米级奇异氧化物层，我们便得到了 NAND 中的晶体管存储单元。如今，在一块拇指大小的硅片中可能有数十亿个晶体管，硅片有 232 层，能存储人类积累的大量知识。到这里我们就很容易理解，为什么说这些被捕获的电子深刻改变了我们生活的世界。
Branch Education 提供了非常有帮助的在线资源，其中详细介绍了 NAND 中的技术。
我与 NAND 闪存的结缘
大学毕业后，我的第一份正式工作是在美光担任产品工程师，从事 NAND 单元特性分析。我参与开发的第一个产品是 2010 年代初期的 64Gb (8GB) MLC 平面 NAND。上大学时，我拥有的价格较高的财产之一是 1GB 闪存驱动器，而现在我要研究一个密度是其 8 倍的芯片，这样的工作让我非常兴奋。在随后的几年里，我有幸参与了美光首款 3D NAND 芯片的研发。在这款芯片中，多层单元的排列方式采用与摩天大楼非常相似，这种架构大幅提高了单个芯片的存储密度，这也开启了向 TLC 技术的演变。后来，我有机会参与美光首款 QLC NAND 芯片的研发，在制定产品数据表时，我对这项技术产生了浓厚的兴趣。我手中的这款美光 2500 SSD 基于美光的第四代 QLC NAND 打造，存储容量是我大学时期那款闪存驱动器的 2000 多倍，速度也提高了几个数量级。
一款速度出众的 QLC SSD
我们的产品经理团队制定了美光 2500 SSD 的技术规格，它将是一款速度出众并拥有出色用户体验的 SSD，可与任何基于 TLC 的驱动器相媲美。
粗略而言，要实现此目标，我们需要从四个方面入手。
- 单 NAND 颗粒尺寸
- NAND 颗粒的平面数量
- NAND 芯片和控制器的接口速度（ONFi 速率）
- NAND 时序
每个方面都有各自的挑战需要克服，包括实现成本、工程复杂度等。
虽然当时整个行业对这项技术持观望甚至怀疑态度，但我们团队坚决推进这款产品的开发工作，并坚信可以实现上述目标。得益于美光高度垂直整合的架构，很多团队参与了这项工作，我们从项目开始之初就定义和完善了这款 SSD 各方面的特性——从 NAND 设计、SSD 架构、介质管理到最终固件。
通过与客户和业内优秀工程团队密切合作，我们完成了多项艰巨任务，成功研制出了这款性能出众的 QLC SSD。
在近期发表的一篇博客文章中，Prasad Alluri 介绍了美光 2500 与其他竞品的对比情况：美光 SSD 如何让更多人获得更佳的用户体验 | 美光科技。
展望未来
随着 AI 的普及和 AI PC（AI PC：PC 行业的颠覆性变革？| 美光科技）的出现，对 PC 存储设备的需求将持续增长。QLC 技术可在不影响用户体验的前提下大幅提升存储设备的容量，并且外形非常小巧。美光正在开发下一代 QLC 产品，我可以自豪地说，那将又是一款划时代的产品。
也许 7000 年后，我们的后代可能右手握着我们无法想象的产品，而左手很可能握着当今时代的工程奇迹——美光 2500 SSD。
