【快閃儲存全面進入QLC時代】QLC快閃記憶體應用的新階段

具備容量密度高、成本低，但效能與耐用性有限的特性，QLC SSD幾年前曾被認為難堪重任，只能憑藉低成本在特定領域使用，現在卻正在包括AI在內的各式各樣應用，大舉擴張版圖。

當我們從2016年開始追蹤QLC快閃記憶體的發展時，一開始也是認為QLC SSD並不適合多數儲存應用情境使用，而僅適合用於長期保存大量資料的冷儲存應用。

但隨著QLC快閃記憶體製程與控制器技術的進步，QLC SSD無論在效能、壽命或可靠性等方面，過去幾年已有顯著的改善，與早期的產品不可同日而語，進而也大幅擴展應用範圍，逐步滲透到企業儲存應用的各個層面。我們在2023年7月的封面故事《QLC大舉進入企業儲存應用》，便曾介紹QLC快閃記憶體在企業儲存開始獲得廣泛應用的趨勢。

時隔1年半之後的現在，QLC快閃記憶體的應用又有進一步的發展。

首先，最新一代QLC SSD產品的各方面規格，幾乎已經與TLC SSD產品不分軒輊，不僅適合多數通用儲存服務情境，還挾著成本優勢，在入門級儲存應用領域開始有了取代TLC快閃記憶體的趨勢。

其次，憑藉QLC的高儲存密度優勢，再結合3D堆疊技術，促使SSD容量規格在日前一舉突破100TB大關，遠遠拋開了硬碟與磁帶，穩居當前最大容量儲存媒體地位。

第3，QLC快閃記憶體的高儲存密度、低單位容量成本，以及擅長循序讀取等特性，也能在近年來最熱門的生成式AI應用中，發揮關鍵的作用，進而讓QLC SSD成為AI訓練基礎設施建置的重要環節。

最後，QLC SSD在企業級儲存設備中的滲透也進一步加深。最初只有少數廠商嘗試推出基於QLC SSD的儲存陣列產品，後來跟進的廠商逐漸增加，到了2024年底，所有一線大廠終於在支援QLC SSD的行列全部到齊，包括一些原本不看好QLC SSD的儲存廠商，也在這段期間改變了態度，將QLC SSD引進產品線。

而這一系列新發展，也促使我們再次回到QLC快閃記憶體應用這個議題，檢視QLC SSD應用的的最新情況。

後發居上的新世代QLC SSD產品

QLC快閃記憶體的每個儲存單元（Cell）可記錄4個位元的資料，儲存單元的容量密度較TLC高出1/3，但是，連帶也需要區分與控制16種閾值電壓狀態，為QLC帶來更複雜、困難的存取程序，最終導致抹寫耐用性更差，更困難的讀取作業與資料保存，以及更不可靠的寫入程序等問題。

然而，如同我們在先前封面故事提過的，QLC快閃記憶體晶片先天的效能、壽命與可靠性問題，可以透過SSD裝置層級，以及儲存陣列系統層級的種種措施，獲得緩解與改善。

例如SSD裝置層級的超額配置（over-provisioning）、SLC快取，改進的損耗均衡與錯誤修正演算法，以及平行存取處理，還有儲存陣列層級的快取與緩衝，以及跨SSD裝置的損耗均衡等。

所以，在快閃記憶體與SSD產品技術發展歷程中，呈現相當特別的「背反」趨勢，從快閃記憶體層次來看，隨著快閃記憶體儲存單元的多級化發展，新一代記憶體的效能與耐用性，可說每況愈下，MLC不如SLC，TLC不如MLC，QLC又不如TLC。但從SSD產品與快閃儲存陣列產品層次來說，效能與耐用性仍持續提升。

憑藉技術進步的「後發優勢」，在最新一代的QLC SSD產品中，效能與壽命規格，已能與1、2年前的上代TLC SSD比擬，除了特別寫入負載特別高、或追求極致隨機存取效能的應用情境，TLC SSD仍佔有優勢之外，對於大多數的應用環境，QLC SSD已足以承擔工作需求，而這也改變了QLC SSD產品的定位。

 世代交替的起步 

在QLC SSD問世早期，由於效能與耐用性的限制，因而被定位為訴求大容量、低單位成本的產品線，被視為硬碟的替代者，所針對的應用情境，也與一般TLC SSD之間，彼此涇渭分明。

而到了現在，隨著QLC SSD的進步，QLC SSD不僅已經侵入TLC SSD的應用領域，我們這幾個月來還注意到，WD、美光（Micron）等廠商，甚至在部分個人端消費級SSD產品線，都開始以新推出的QLC SSD，接替既有的TLC SSD產品。

舉例來說，WD在今年3月新推出的M.2規格QLC SSD產品SN5000S（基於BiCS6 162層3D製程），便是用於取代2022年5月發表的TLC SSD產品SN740（基於BiCS5 112層3D製程）。

在效能方面，基於QLC的SN5000S，隨機讀取與寫入IOPS效能，分別比基於TLC的SN740提高1.4％與12.5％，循序讀取與寫入速率則分別快了16.5％與15.5％。

而在耐用性方面，以總寫入資料量（TBW）為基準，SN5000S的512 GB與1 TB容量版本，TBW比SN740同容量版本的TBW低了50％與25％，但2TB版本的TBW則反超出20％，整體來說，兩者的耐用性屬於同一級距。

類似的例子，還有美光今年4月推出的新款M.2 QLC SSD產品2500系列（232層3D製程），將用於取代2021年底到2022年底推出的上一代M.2 SSD產品，包括基於QLC的2550（176層3D製程）與2400（232層3D製程），還有基於TLC的2450（176層3D製程）。

比起上一代的M.2 QLC SSD產品2550與2400，2500的最大隨機讀取與寫入效能比前者高出80％與66％，比後者高出53％與42％，至於循序讀取與寫入速度則比前者提高42％與50％，較後者提高57％與50％。

而比起基於TLC的2450，2500的讀取與寫入效能也分別高出24％與31％，整體效能已接近美光M.2 SSD產品線最高階的3400與3450（分別基於176層3D TLC與232層3D TLC）。而在耐用性方面，2500則略遜於2450，同容量規格下的TBW為後者的2/3到一半。

雖然這個QLC SSD接替TLC SSD的現象，目前只發生在部份廠商的M.2 SSD產品，卻是重要信號，意味中低階SSD領域，QLC取代TLC的腳步已開始。

儘管許多用戶仍對QLC存在負面印象，但對供應商來說，當QLC SSD進步到能提供與TLC同級的效能與耐用性，考慮到QLC能以更低的成本達到相同的容量，也代表著更大的利潤空間，自然會更傾向於推出基於QLC的SSD產品。從這樣的情況來看，或許在幾年內，除了最高階的SSD產品外，QLC恐怕將會席捲中、低階SSD產品領域。

QLC推動SSD容量邁向極限

今年是SSD容量發展歷程中的又一新里程碑，繼2015年達到15.36 TB，2018年提高到30.72 TB，2023年達到61.44 TB後，緊接著便在今年一舉突破100 TB大關，WD、三星、Solidigm，群聯（Phison）等廠商，先後在下半年發表容量122.88 TB的新一代商用SSD產品。

也就是說，SSD的容量規格在10年內提升了足足8倍，而且增長的速度越來越快，從15.36 TB提高到30.72 TB花了3年多，從30.72 TB到61.44 TB花了5年多，但接下來不到2年，就達到122.88 TB。

近年來快閃記憶體迅速的容量增長，是QLC快閃記憶體與3D堆疊技術共同合力的結果，我們可以注意到，在61.44 TB以上超高容量層次產品的場合，QLC扮演了更為關鍵的角色——隨著SSD容量等級的提高，採用QLC的產品比重也越來越高。

在61.44 TB SSD產品領域，還是TLC與QLC參半局面，目前已有的4款61.44 TB SSD產品——Solidigm的D5-P5336、三星的BM1743、WD的SN655，以及美光的6550 ION，正好各占一半，兩款採用TLC（WD與美光），兩款採用QLC（Solidigm與三星）。

不過往上到了122.88TB產品領域，便是清一色採用QLC的局面。目前已發表的5款122.88TB SSD產品——三星BM1743的122 TB版，Solidigm D5-P5336的122 TB版、WD的High-Capacity QLC Enterprise SSD，群聯的Pascari D200V與D205V，全部都是基於QLC快閃記憶體。

若把檢視範圍擴大到非標準規格的大容量型SSD產品，同樣還是QLC的天下。例如，IBM用於搭配FlashSystem儲存陣列的FCM模組（FlashCore Modules），自2020年的第2代FCM模組起，到2024年最新的第4代FCM模組，都一直採用QLC，最大容量達到38.4TB。另外，Pure Storage用於搭配FlashArray儲存陣列的DFM模組（DirectFlash Module），去年推出的48TB、75TB版本模組，還有即將推出的150TB容量模組，也都採用QLC。

唯一例外是Nimbus Data，該公司在2018年發表、2020年正式上市的ExaDrive DC SSD，是世界上最早的100TB等級SSD，但採用的是TLC快閃記憶體。然而Nimbus Data其實是以空間來換取高容量，這系列產品採用標準2.5吋規格的款式，最大容量只達到16 TB與32 TB，並沒有超過其他廠商的同級產品；至於容量較大的64 TB與100 TB款式，都是採用外形較大的3.5吋規格，容量密度其實沒有進步，與新一代的100TB等級SSD產品，有著本質上的區別。

由這樣的發展情勢看來，100 TB等級以上的高容量SSD產品，目前已經是以QLC為主的情況，日後QLC也將成為持續推升SSD容量的關鍵角色。

QLC SSD的AI應用

QLC SSD的效能特性是循序與隨機讀取效能佳，循序寫入效能稍低，傳輸率大約是循序讀取的30％到40％，至於隨機寫入效能則頗為低落，IOPS效能只有隨機讀取的幾十分之一，所以QLC SSD經常被定位為讀取負載取向型應用，而較不適合寫入I/O負載應用。

相較下，TLC SSD一般也是讀取效能較寫入效能更佳，但兩者落差較小，循序讀取與循序寫入傳輸率之間，可達到十分接近的程度，而隨機寫入與隨機讀取之間的落差，則為4、5倍。與同等儲存容量與傳輸介面的QLC SSD相比，TLC SSD的循序讀取與隨機讀取效能並沒有甚麼優勢，循序寫入效能略佳，因此，TLC SSD真正的優勢是在隨機寫入方面。

不過，QLC SSD這樣的效能特性，卻恰好對應了AI應用的儲存存取特性，因而將能在AI應用中大展所長。

儲存裝置在AI應用中的主要任務，是負責向運算單元饋入訓練資料集、寫入、保存運算內容，最後輸出推論結果。典型的生成式AI運作過程，一開始是將訓練資料集從儲存裝置，分批讀取、載入GPU伺服器的記憶體，由GPU進行訓練運算工作，期間還會向儲存裝置執行寫入檢查點（checkpointing）等工作，訓練完成後，在推論應用過程，也會從模型中讀取資料，產生與輸出推論結果。

前述AI應用涉及的I/O存取負載，基本上是以循序讀取、隨機讀取，以及循序寫入為主，很少涉及隨機寫入。例如AI訓練（Training）與推論（Inference）是循序讀取為主，資料攝入（Data ingest）、預處理（Pre-processing），寫入檢查點等作業，是以循序寫入為主，圖像化神經網路（Graph neural networks）則屬於隨機讀取。

這也意味著，QLC SSD在生成式AI應用中，將能迴避隨機寫入這個最大弱點，在滿足絕大多數存取需求的同時，還能憑藉單位容量成本低、容量密度高的優勢，提供更低的建置成本，以及更少的空間與功耗需求，可說是理想的AI應用儲存媒體。

事實上，不久前有一篇極受矚目的AI應用儲存環境建置新聞，便是圍繞QLC SSD展開。10月底韓國經濟日報（Korea Economic Daily）傳出消息，表示特斯拉公司（Tesla）與韓國快閃記憶體供應商SK-hynix，正在洽談潛在總值高達1兆韓圓（約合7.25億美元）的高容量SSD採購合約，準備用於其AI訓練環境的資料儲存需求。

掌握相關消息的人士指出，雙方洽談的採購標的，正是SK-hynix旗下Solidigm公司的QLC SSD產品，也就是我們前面提到的61.44 TB容量D5-P5336。以前述合約金額計算，這份合約可能涵蓋多達9.9萬臺或20萬臺SSD（標準售價或50％折扣），總容量將高達12.3 EB。

儘管特斯拉與SK-hynix都未證實前述合約洽談，但從這則新聞當中仍能看出：大容量QLC SSD在當前AI基礎設施建置與應用中，已佔有重要地位，未來還可望持續提高。

QLC在企業儲存產品的持續滲透

最早將QLC快閃記憶體應用於企業級儲存陣列的廠商，是VAST Data與Pure Storage，分別在2019年初與2019年中推出基於QLC的儲存陣列產品。

稍後到了2020年，又有Nexsan、StorOne，以及IBM、NetApp等兩大廠，陸續加入QLC應用行列，推出採用QLC的儲存陣列產品。

QLC在企業級儲存陣列的應用風潮，在2021年停滯一年後，在2022年有新的進展，儲存業界龍頭Dell正式為旗下產品線引進QLC SSD，Weka與Scality等2家分散式儲存平臺軟體商，也開始支援QLC SSD。

隨後在2023年，長年耕耘高效能運算（HPC）領域的儲存供應商DDN，也推出基於QLC SSD的儲存陣列產品。

我們上次在2023年7月封面故事探討QLC快閃記憶體應用時，主要的QLC儲存陣列供應商大致就是以上這些。

在這個時間點之後， QLC在企業級儲存陣列產品的應用，又有重要的進展，又有4家一線大廠先後推出支援QLC SSD的產品。

首先是華為，2023年下半年將QLC SSD引進儲存陣列產品線；進入2024年後，HPE，以及日系的2大廠Hitachi Vantara、富士通（Fujitsu），也陸續發表支援QLC SSD的儲存陣列產品，其中，HPE與Hitachi Vantara都是在最近一個月內發表QLC相關產品應用。至此，所有一線儲存陣列大廠在QLC SSD的應用行列終於全部到齊，也是QLC應用邁向全面普及的一個重要信號。

QLC普遍應用的時代終將到來

QLC與TLC快閃記憶體技術其實問世時間差不多，都是在2009年前後開始獲得實際應用，不過在完整的SSD產品方面，TLC SSD則比QLC SSD早了3、4年進入市場。

第1批TLC SSD是在2014到2015年間上市，儘管TLC面臨效能、可靠性與壽命方面不如MLC快閃記憶體的質疑，但憑藉成本與容量密度的優勢，仍然很快取代MLC SSD的地位，到了2018、2019年間，基本上就完成TLC SSD取代MLC SSD的世代交替。

現在歷史又將重演，第一批QLC SSD於2018年上市後，同樣也是飽受效能、可靠性與壽命等方面的抨擊，但經過6年後，也終於走到普及應用的階段。

事實上，每一世代多級化快閃記憶體問世之初，都同樣受到效能、耐用性不如上一代的批評，從MLC開始、到TLC，以至QLC莫不如此，以致於早期有些廠商還發明了eMLC、eTLC一詞，表明他們使用的MLC、TLC記憶體是足夠可靠的「企業級」顆粒，因而可以用來取代上一代的SLC與MLC。但隨著技術的進步，MLC與TLC曾為人詬病的問題逐一克服，現在已沒人再提eMLC、eTLC這種多餘的講法。

我們相信QLC未來也將如此，當前固然仍有許多用戶不能接受QLC（特別是效能取向的消費端高階用戶），但QLC的進步有目共睹，而其成本、功耗與密度方面的優勢也顯而易見，更重要的是對廠商更有利可圖。事實上，從IBM FlashSystem這種二十多年歷史的老牌全快閃儲存陣列，都全面支援QLC，就能看出市場走向。

就我們來看，除了極端傾向隨機寫入I/O，或是寫入負載非常大的應用情境外，其餘大多數的應用情境，已經沒有「非TLC SSD不可」的必要，最新一代的QLC SSD已能滿足需求。

 取代TLC SSD的新世代QLC SSD 

在中低階M.2規格SSD產品領域，已開始出現QLC SSD取代TLC SSD的情況，左圖為WD與美光今年上半發表的新款M.2 SSD產品：WD的SN5000與美光的2500系列，都是採用QLC快閃記憶體，將分別取代基於TLC的上一代M.2 SSD產品。

憑藉記憶體製程與控制器技術的持續進步，這些最新一代推出的QLC SSD產品，無論效能、可靠性，或是耐用性等方面，比起同等級的上一代TLC SSD產品都不遜色，而且還有所超越。圖片來源／WD、Micron

 回顧10年以來的SSD儲存容量成長趨勢 

憑藉半導體技術的進步，SSD的容量在過去10年內提高了8倍，而且增長速度在近2年來有了明顯加速。在30.72 TB這個容量規格停滯5年後，於2023年下半年一舉提高到61.44 TB，隨後緊接著在2024年底又翻倍達到122.88 TB（各廠商的122.88 TB SSD產品，實際出貨時間是2025年初）。

而SSD容量規格之所以能有如此迅速的增長，則是QLC快閃記憶體與3D堆疊技術共同促進的結果，特別是QLC的應用，目前60 TB以上的超大容量SSD產品，是由QLC主導的領域。（資料來源：iThome整理，2024年11月）

 60 TB以上超大容量SSD產品的記憶體型式 

在30TB容量以下的SSD產品領域，目前仍是基於TLC快閃記憶體居多，QLC主要用在訴求成本效益的特定產品線。到了60TB等級以上的超大容量SSD領域，則由QLC快閃記憶體主導，特別是最新發表的122TB等級容量SSD產品，清一色都是採用QLC。（資料來源：iThome整理，2024年11月）

 QLC SSD新戰場：AI訓練的儲存應用 

AI應用涉及的儲存存取需求，是特別適合QLC SSD發揮的場合。AI訓練、推論、預處理等作業執行中的I/O存取負載，多屬於連續的循序讀取與寫入，很少有隨機寫入負載。而這樣的應用型態，恰好對應QLC SSD擅長循序存取的特點，而避開了QLC SSD不擅長隨機寫入的弱點，並能讓QLC SSD發揮單位成本低、容量密度高、單位功耗需求低的優勢。

上圖為MLPerf Storage Benchmark模擬的AI訓練存取架構，可以看出資料的載入與預處理，都是以連續的批次方式進行，I/O負載以循序方式為主。（圖片來源／MLCommons）

 SSD記憶體技術的世代交替 

SLC SSD大約在2001年左右上市，但2010年以前就為MLC SSD取代。第一批MLC SSD是在2007年前後問世，2010年代成為主流，在2018、2019年左右開始為TLC SSD取代。最早的TLC SSD產品是在2015年前後推出，短短3、4年就成為主流的快閃記憶體型式，並一直延續至今。QLC SSD是在2018年推出市場，2021、2022年間逐步擴大應用面向，2023、2024年開始進入各種不同層面的企業儲存應用領域。（資料來源：iThome整理，2024年11月）

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