三星的两个新系列固态硬盘中，840 Pro继承了830的优良传统，各方面都几乎堪称完美，而定位主流市场的840系列因为第一次采用TLC NAND闪存而备受关注。这种闪存的可靠性和寿命指标都更低一些，从而引发了耐用性方面的担忧。那么，TLC闪存真的不怎么样么？840固态硬盘的各方面表现又是如何？AnandTech近日对一块840 250GB进行了详细的评测。
【TLC闪存简析】
OCZ其实曾经表达过对TLC NAND闪存的兴趣，但拥有自家工厂的三星显然走在了前列，想要的时候随时可以生产出来，OCZ就只能眼巴巴地等着了。
TLC的全称为“Triple Level Cell”，也就是三层单元，而目前在消费领域广泛使用的SLC、MLC则分别是Single Level Cell(单层单元)、Multi Level Cell(多层单元)。三者在物理上很相似，都有类似的晶体管组成，唯一的区别就是每个单元存储的数据比特(位)不一样，其中SLC只有一个，MLC是两个，TLC则是三个。
举例来说，同样是172亿个晶体管的原始NAND阵列，SLC闪存只能得到16Gb容量，MLC就能翻番到32Gb，TLC则可达48Gb。
这就造成了一个小小的问题，因为固态硬盘容量都是以2的倍数增加的，比如64GB、128GB、256GB这样一路走下来，TLC却是3的倍数。虽然制造一个48Gb的NAND Die没有任何技术问题，但是从市场营销和工程的角度来讲，2的倍数显然更“好”一些，TLC闪存也应该是32Gb才好，为此只要将内核的晶体管数量削减到115亿个就行了。当然了，32Gb不是3的整数倍，但因为需要额外预留一些冗余空间，这就不是问题了，比如128GB TLC固态硬盘的实际闪存容量约为137.4GB，差的那些就做冗余去了。
这样一来，同样容量的TLC闪存要比MLC闪存小一些，每块晶圆的切割数量就更多了，成本也自然就下来了。
根据OCZ提供的数据，每GB SLC的价格为3美元，MLC能降到0.9美元，TLC就只需0.6美元。
【TLC闪存为什么不耐用？】
三星并未公布TLC闪存的确切读取、编程和擦写时间指标，只说比MLC闪存低大约50％，所以这三项都是猜测的，但是编程/擦写次数确定是1000，MLC的三分之一，SLC的百分之一。为什么会这么低？(这也是用户最为关注的焦点)
下图是一个MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)。在对一个闪存单元编程的时候，电压加到控制栅极(control gate)上，形成一个电场，让电子穿过硅氧化物栅栏，达到浮动栅极(floating gate)。穿越过程完成后，控制栅极上的电压会立刻降回零，硅氧化物就扮演了一个绝缘层的角色。单元的擦除过程类似，只不过电压加在硅基底(P-well)上。
SLC、MLC、TLC三种闪存的MOSFET是完全一样的，区别在于如何对单元进行编程。SLC要么编程，要么不编程，状态只能是0、1。MLC每个单元存储俩比特，状态就有四种00、01、10、11，电压状态对应也有四种。TLC每个单元三个比特，状态就有八种了(000、001、010、100、011、101、110、111)。
说这些和耐用性有什么关系呢？问题在于，闪存单元每次编程或擦除的电子穿越过程都会导致硅氧化物的损耗。这东西本来就只有区区10纳米的厚度，每进行一次电子穿越就会变薄一些。也正因为如此，随着半导体工艺的进步，硅氧化物越来越薄，耐用性自然就更差了。
硅氧化物损耗得差不多之后，原子键就会断裂，部分电子可能会在穿越过程中被困在氧化物中，导致负电荷积累，使得闪存单元再次编程的时候抵消控制栅极的部分电压。擦写时间也会因此延长，因为在达到何时的电压之前需要更长时间、更高的加压。
记住，主控制器是无法改变编程和擦写电压的(部分可以后文再说)。如果原本设计的电压值工作异常，主控就会尝试不同的电压，这自然需要时间，也会给硅氧化物带来更多压力。
简单地说，SLC的电压状态最少，可以容忍电压的更大变化，MLC的四种状态也基本可以接受，TLC的八种就太多了，电压可变余地很小。在不清楚确切的所需电压之时，就不得不将同样的电压分成八份(SLC、MLC分别只要两份和四份)。在使用过程中，编程和擦写一个TLC闪存单元所需要的时间也越来越长，最终达到严重影响性能、无法接受的地步，闪存区块也就废了。
另外，随着闪存的磨损，所需要的ECC错误校验也越来越多，因为错误的发生几率更高了。这对于TLC又是一个麻烦，因为需要纠正的数据比特多达三个。虽然如今的ECC引擎都很强大了，但到使用后期，与其费劲纠正错误，还不如直接废了整个区块。
【TLC硬盘真的不够用么？】
完美的磨损均衡和写入放大系数应该是1x，三星840 250GB固态硬盘的终生写入量就是256TB，编程/擦写次数1000，只可惜完美是不存在的。得出确切的使用寿命是很难的，毕竟每个用户的情况都不一样，不过一般人平均每天写入量不会超过10GB，那么一年就是3.65TB，只相当于256TB写入总量的1.4％。
当然了，NAND闪存写入量实际要大于主控写入量(这就是系数不同)，但即便写入放大系数为10x，每年也就36.5TB，编程/擦写次数大约143，算下来依然能用七年，即便是120GB型号也能用三年半。虽然这之后同类型MLC闪存硬盘的三分之一，但考虑到PC产品的更新换代频率，一般来说也完全足够用了，只不过寿命后期的性能会差一些。
三星也很明智地没有提供60GB型号，毕竟其理论使用寿命不会超过两年，质保时间可是三年呢。
但这还没完，低耐久度的闪存还有个救命的DSP(数字信号处理)。
DSP在这里的基本概念很简单：读取电压变化，适应它。前文提过，NAND磨损时电压会发生变化，如果主控无法适应这种变化，NAND的压力就会增大，每次尝试编程或擦写的时候都会加剧磨损，所以这种猜猜试试的过程很伤闪存。
然而，如果主控能够读取到编程/擦写电压的变化，就很容易知道所需要的确切值，从而减轻NAND的压力和磨损，可以坚持使用更长时间。尽管DSP不是救世主，但至少能在很大程度上延缓寿命。
DSP到底有多大实际作用也很难说，但是STEC宣称它们的CellCare技术能将MLC的编程/擦写次数从一般的3000提高到最多60000，也就是增加20倍，有些非官方数据甚至声称可做到100000次。刨去其中水分不谈，DSP的作用也应该是很明显的。
【来见识三星840 250GB】
840系列有120GB、250GB、500GB三种容量型号，其实闪存容量和840 Pro系列一样都是128GB、256GB、512GB，只不过冗余需求更高而已。
三者的具体规格如下：
840、840 Pro、830系列对比如下(注意840 Pro是五年质保)：
840的外观和840 Pro几乎一模一样，正面根本分不出来，只能看背面标签。厚度同样是7毫米。
内部PCB设计也基本一致，只是闪存颗粒不同。
【随机读写性能】
随机读取：中上游水平
随机写入：队列深度较低的时候也可以接受
随机写入(QD=32)：队列深度提高后有些惨不忍睹，可能和固件有关而不是闪存本身
【持续读写性能】
持续读取：意外夺魁，甚至高于840 Pro，得益于三星专注于读取的固件
持续写入：非常非常惨，但既然三星宣称才250MB/s，这样的成绩也凑合了
【AS-SSD不可压缩随机读写性能】
持续读取：依然彪悍
持续写入：意料之中的凄凉
【性能与传输尺寸关系】
840在传输尺寸较小的时候性能不错，也是很多产品忽视的地方。较大的时候读取很好，但写入只有250MB/s左右。
【AnandTech Storage Bench 2011：高负载】
【AnandTech Storage Bench 2011：低负载】
【耐用性与TRIM】
干净的时候，平均写入略超250MB/s。
折磨仅仅20分钟后，平均写入就只剩下47MB/s，最低甚至仅有25MB/s。要想避免这种情况，一种办法是保留尽可能多的空闲空间，一般不应少于20％，TLC的更是最好要有30％。换句话，250GB的存放数据量不要超过180GB。
接下来闲置50分钟，写入完全恢复，但奇怪的是读取反而下来了，最低仅有350MB/s，而原来正常的时候是425MB/s以上的。
安全擦除、填满、折磨20分钟，再立刻TRIM，写入性能也很奇怪，虽然最后恢复到了250MB/s，但开始的时候只有150MB/s，平均刚刚超过200MB/s。
考虑到TRIM垃圾回收是依赖于主控的，以及TLC闪存编程/擦写延迟更高，原因可能是840的垃圾回收过程比一般的更慢，或者因为编程/擦写循环次数更少，840刻意有所保留，不敢随便TRIM。
最后再次TRIM，性能恢复如常。
【功耗】
待机时和840 Pro完全相同，都是各款中最低的。
写入操作功耗高了不少。考虑到TLC闪存本身的特点，这也是正常，但估计也有固件和产品划分方面的缘故。
【结语：扎扎实实的一分钱一分货】
840系列使用TLC NAND闪存的做法相信很多人都抱着怀疑的态度。在此之前，TLC闪存常用于U盘、廉价平板等低成本设备，从未用于高性能的固态硬盘。
不过在进行了长达一个星期的各种测试之后，AnandTech的评测人员表示很意外，TLD闪存并没有很多人想象中的那么差劲，实际表现也超出了本来不高的期望，非常适合对性能要求不是很高、平常应用负载也比较轻的用户。总的来说，它要比大多数上一代MLC固态硬盘更快一些，这自然要感谢三星的主控和固件技术，弥补了TLC本身的短板。
当然了，产品的规格和市场定位都是一一对应的，你不可能指望TLC闪存有着多么彪悍的表现，这样的成绩已经完全对得起它了。
尽管长期可靠性仍有待观察，但至少目前看来，三星的尝试绝对算是成功了，也提高了廉价固态硬盘的性能标杆，也为固态硬盘低价普及注入了新的活力。
以往想要便宜的固态硬盘，要么牺牲容量，被迫使用SSD+HDD的双硬盘方案，要么牺牲性能，固态存储体验很糟糕。现在有了TLC 840，我们就有了价格上不贵，性能上不错，特性上也很全面的入门级固态硬盘。
三星第一个使用TLC闪存也暗示，三星正在固态硬盘上加大发力，从以往的默默无闻向积极进取方向转变。握有充裕的闪存生产资源也使得三星可以在这方面做得更加从容。
