Las unidades SSD han salido de la categoría de exóticos caros y poco confiables y se han convertido en un componente familiar de computadoras de todos los niveles, desde "máquinas de escribir" de oficinas de presupuesto hasta servidores potentes.
En este artículo queremos hablar sobre una nueva etapa en la evolución de los SSD: el próximo aumento en el nivel de grabación de datos en NAND: sobre celdas de cuatro niveles con 4 bits
cada una , o
QLC (
celda de cuatro niveles). Los dispositivos de almacenamiento fabricados con esta tecnología tienen
una mayor densidad de grabación, esto simplifica el aumento de su volumen y el costo es menor que el de los SSD con células MLC y TLC "tradicionales".
Como se esperaba, en el proceso de desarrollo fue necesario resolver muchos problemas asociados con la transición a una nueva tecnología. Las compañías gigantes los superan con éxito, y las pequeñas empresas chinas aún se están quedando atrás, sus impulsos son menos tecnológicos, pero más baratos.
Cómo sucedió esto, si apareció un nuevo "HDD killer" y si fue necesario correr a las tiendas, cambiando todos los HDD y SSD de generaciones anteriores a nuevos, lo diremos a continuación.
En el proceso de evolución de los dispositivos de almacenamiento, la forma de almacenar información cambió, el proceso de fabricación se volvió cada vez más delicado y aumentó la densidad de grabación en una sola celda y en un chip. Los controladores mejoraron sus algoritmos, la velocidad de escritura se acercó a la velocidad de lectura y luego comenzaron a crecer rápidamente. Hoy en día, la uniformidad de la distribución de llamadas a las celdas de memoria NAND ha alcanzado cierto nivel óptimo, la confiabilidad del almacenamiento de información ha crecido muchas veces y casi iguala a la de los discos duros tradicionales. En el proceso de rápido desarrollo de la tecnología, los SSD comenzaron a emitirse en una variedad de factores de forma.
Ahora en el mercado hay una gran selección de unidades de una variedad de compañías, tanto el primer escalón de las marcas A como las compañías chinas que han tratado de tener suficientes SSD para todos.
¿Qué nos ofrece la tecnología QLC?
El número de bits registrados en una sola celda NAND está determinado por cuántos niveles de carga hay en el transistor de puerta flotante. Cuantos más haya, más bits puede almacenar un solo transistor. Esta es la
principal diferencia entre la tecnología QLC y el TLC "anterior": el número de bits en una celda ha aumentado de tres a cuatro .
Con un aumento en el número de niveles de carga, las características de la unidad cambian mucho: la velocidad de acceso disminuye, la confiabilidad del almacenamiento de información disminuye, pero la capacidad aumenta y la relación precio / volumen se vuelve más atractiva para los clientes. En consecuencia, los chips creados con tecnología QLC son más baratos que la generación anterior de TLC, que almacena tres bits en una celda. Al mismo tiempo, los QLC son menos confiables, porque la probabilidad de que una celda falle aumenta significativamente con cada nuevo nivel.
Además de las complejidades de una sola célula, surgen otras. Debido al hecho de que los chips de memoria están hechos con tecnología 3D NAND, son conjuntos tridimensionales de celdas densamente empaquetadas una encima de la otra, y las celdas en los "pisos" vecinos se influyen mutuamente, arruinando la vida de sus vecinos. Además, los chips modernos contienen más capas que los productos de generaciones anteriores. Por ejemplo, una de las tecnologías para aumentar la densidad de la memoria implica un aumento en el número de capas en el cristal de 48 a 64. En el marco de otra tecnología, dos cristales de 48 capas están "soldados", lo que lleva el número total a 96, lo que impone requisitos muy altos en la alineación de los límites en este " sandwich ”, hay más puntos de fracaso y la proporción de matrimonio está creciendo. A pesar de la complejidad del proceso, dicha tecnología resulta ser más rentable que tratar de hacer crecer capas en un cristal, porque el rechazo aumenta de forma no lineal con un aumento en el número de capas, y un bajo rendimiento de chips adecuados costaría demasiado. Para ser justos, debe tenerse en cuenta que solo las empresas de primer nivel pueden permitirse tales desarrollos. Algunos fabricantes de chips chinos no han cambiado a cristales de 64 capas, y hasta ahora solo los gigantes electrónicos como Intel y Micron tienen la tecnología de "pegar" dos cristales de 48 capas.
NAND 3DOtra novedad utilizada en unidades de una nueva generación de marcas A es la transferencia de control y flejado de suministros a una variedad de celdas. Debido a esto, el área de cristales disminuyó y fue posible colocar cuatro bancos de memoria donde anteriormente solo se encontraban dos. Y esto, a su vez, hizo posible paralelizar las consultas y aumentar la velocidad de trabajo con la memoria. Además, el área más pequeña de los cristales permitió aumentar la capacidad de almacenamiento.
El aumento de la densidad celular también ayuda a combatir la degradación más rápida de la memoria. Nos ocupamos de esta tarea "de frente", con la ayuda de una redundancia aún mayor de la matriz de células.
Los prototipos de chips QLC se mostraron el verano pasado, y las primeras promesas de lanzar SSD con nueva tecnología se hicieron a principios de este año. En el verano, casi todas las compañías que producen unidades, informaron que estaban listas para la producción en masa, expresaron los nombres de los nuevos modelos, sus precios y especificaciones. Ahora puede comprar SSD con chips QLC. La mayoría de los modelos están disponibles en formato M.2 y 2.5 ", con capacidades de 512 gigabytes, 1 y 2 terabytes.
Posicionamiento de almacenamiento QLC
Para empezar, es justo admitir que las unidades creadas con la nueva tecnología QLC son categóricamente inadecuadas para tareas serias / críticas. Y la razón de esto es una serie de dificultades técnicas que los ingenieros de grandes corporaciones-inventores y los "seguidores" chinos tienen que resolver.
Por ejemplo, en el sitio web de Intel, los nuevos SSD solo se ofrecen en el segmento de rango medio para computadoras domésticas. Especialmente justificado es su uso en netbooks de bajo rendimiento, cuyas tareas no incluyen juegos o trabajar con bases de datos, y el costo, por el contrario, es muy importante. Tales "máquinas de escribir" se están volviendo cada vez más demandadas. Para trabajar en el segmento empresarial, solo se ofrecen unidades con chips MLC y TLC.
Si comparamos las características de los SSD de marca (los chinos baratos no tienen sentido, los controladores económicos eliminan todas las características), entonces el precio promedio de las unidades QLC es aproximadamente un 20-30% más bajo que el MLC, con el mismo factor de forma y volumen.
Velocidad de acceso Para un modelo con chips QLC, es: para leer hasta 1500 Mb / s, para escribir hasta 1000 Mb / s. Para el modelo en chips TLC: 3210 Mb / sy 1625 Mb / s, respectivamente. La velocidad de escritura de la unidad QLC es una vez y media menor, y la velocidad de lectura es dos. La diferencia es significativa, pero para navegar por Internet y editar textos, más que suficiente.
TBW (total de bytes escritos) . Un parámetro crítico que caracteriza el recurso SSD. Habla sobre el número máximo de terabytes que se pueden escribir en la unidad. Cuanto más alto es el TBW, más tenaz es la unidad y más tiempo puede funcionar sin fallar. Para todos los modelos de la serie 760p, el recurso es 288 TBW y para 660p, solo 100 TBW. Casi tres veces la diferencia.
DWPD (Escrituras de unidad por día) . Este indicador de confiabilidad indica cuántas veces al día puede sobrescribir toda la unidad y se calcula mediante la fórmula:
DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5donde 0,512 es el volumen de la unidad en terabytes;
365 - el número de días en un año;
5 - el número de años de garantía.
DWPD es más objetivo, porque el cálculo tiene en cuenta el tiempo durante el cual el fabricante acepta resolver los problemas con la unidad de forma gratuita. DWPD es 0.1 para el modelo QLC y 0.32 para los modelos TLC. En otras palabras, en este ejemplo, todos los días el QLC puede sobrescribir por completo 50 GB; este es su modo normal de operación. Teniendo en cuenta que, al mismo precio, la capacidad de las unidades QLC es mayor que la de MLC, es poco probable que el usuario promedio de una "máquina de escribir con Internet" logre desarrollar este recurso.
Estos dos dispositivos son un claro ejemplo de cómo los ingenieros tienen que resolver muchas dificultades técnicas, que parecían más brillantes en QLC que en TLC. En particular, QLC tiene menor velocidad de acceso de escritura y lectura, menor recurso, mayor coeficiente WAF (más sobre esto más abajo). Echemos un vistazo más de cerca a las principales dificultades y métodos para resolverlos.
Velocidad de acceso
Comencemos con una de las características más notables del QLC SSD para el usuario:
menor velocidad de escritura cuando el caché de la unidad está lleno . Dado que la velocidad de acceso de QLC ya es relativamente baja, los fabricantes están tratando de aumentarla con el almacenamiento en caché. El SSD utiliza su propia matriz de celdas de disco para esto, que se transfieren a un modo de operación de un solo bit: SLC.
Hay varios algoritmos de almacenamiento en caché. A menudo, una pequeña parte de la capacidad de la unidad en sí se asigna a la memoria caché; en promedio, de 2 a 16 GB, en algunos modelos puede haber hasta varias decenas de gigabytes. La desventaja de este método es que si hay un intercambio intensivo de datos durante la operación de la computadora, entonces se puede llenar rápidamente una pequeña cantidad de caché y la velocidad de lectura / escritura caerá bruscamente.
Más compañías tecnológicas usan controladores avanzados que pueden transferir dinámicamente parte de las celdas al modo rápido SLC, en este caso el tamaño de la caché depende del volumen total de la unidad y puede alcanzar el 10%. En las SSD modernas, se utilizan ambos métodos: una cantidad relativamente pequeña de caché estática se complementa con un volumen asignado dinámicamente, que es muchas veces más grande. Cuanto más espacio libre, mayor es el tamaño de caché y más difícil es agotar su tamaño. Es lógico que una unidad más grande tenga una memoria caché más grande, lo que significa que la memoria caché dinámica funcionará de manera más eficiente.
Una clara dependencia del tamaño de la memoria caché SLC en el volumen de la unidad y el espacio libre en él.Errores de lectura
La creciente complejidad de la arquitectura QLC en comparación con la TLC ha llevado a un aumento en el número de errores de lectura de datos. Para corregirlos, fue necesario implementar el uso forzado de
algoritmos ECC (Código de corrección de errores, códigos de corrección de errores) . Con su ayuda, el controlador corrige independientemente casi todos los errores de lectura de datos. Y el desarrollo de algoritmos de corrección efectivos es una de las tareas más difíciles cuando se crean unidades QLC, ya que es necesario no solo para garantizar una alta eficiencia de corrección (expresada en el número de bits corregidos por 1 Kb de datos), sino también usar la menor cantidad posible de celdas de memoria para guardar sus recursos. . Para hacer esto, los fabricantes introducen controladores más productivos, pero lo más importante, utilizan potentes dispositivos científicos y estadísticos para crear y mejorar algoritmos.
Recurso
Las características de la arquitectura QLC no solo reducen la confiabilidad, sino que también conducen al fenómeno de
"amplificación de escritura" (Amplificación de escritura, WA) . Aunque sería más correcto decir "multiplicación de registro", sin embargo, la opción de
"amplificación" es mucho más común en Runet.
¿Qué es el WA? En un SSD, físicamente con celdas, hay muchas más operaciones de lectura / escritura de las que se requieren para la cantidad de datos recibidos directamente del sistema operativo. A diferencia de los discos duros tradicionales, que tienen un "cuanto" muy pequeño de datos regrabables, los datos en el SSD se almacenan en "páginas" bastante grandes, generalmente de 4 KB cada una. También existe el concepto de "bloque": el número mínimo de páginas que se pueden reescribir. Por lo general, un bloque contiene de 128 a 512 páginas.
Por ejemplo, un ciclo de reescritura en un SSD consta de varias operaciones:
- mover páginas del bloque borrado a un lugar de almacenamiento temporal,
- despejar el espacio ocupado por el bloque,
- reescribe el bloque temporal agregando nuevas páginas,
- escribe el bloque actualizado en el lugar anterior,
- Limpie el lugar utilizado para el almacenamiento temporal.
Como puede ver, esta operación lee y borra repetidamente cantidades relativamente grandes de datos en varias áreas diferentes de la unidad, incluso si el sistema operativo desea cambiar solo unos pocos bytes. Esto aumenta seriamente el desgaste celular. Además, las operaciones de lectura / escritura "extra" reducen significativamente el rendimiento de la memoria flash.
El grado de "amplificación de escritura" se expresa mediante el WAF (Factor de amplificación de escritura): la relación entre la cantidad de datos regrabables y la cantidad que
debe reescribirse. Idealmente, cuando no se utiliza la compresión, WAF es 1. Los valores reales dependen en gran medida de varios factores, por ejemplo, del tamaño de los bloques regrabables y de los algoritmos utilizados en los controladores.
Y dado que las células QLC son mucho más sensibles al número de ciclos de reescritura, el tamaño de WAF se ha vuelto mucho más importante que para TLC y MLC.
¿Qué otros factores afectan negativamente a WAF en unidades QLC?
- El algoritmo de recolección de basura , que busca bloques llenos de manera desigual que contienen simultáneamente páginas vacías y llenas, los sobrescribe para que los bloques contengan solo páginas vacías o solo llenas, lo que reduce aún más el número de operaciones que conducen a WA.
- Use nivelación . Los bloques a los que accede el sistema con frecuencia se mueven regularmente a las celdas en lugar de los bloques que tienen menos demanda. Esto es para garantizar que todas las celdas de memoria en la unidad se desgasten de manera uniforme. Pero como resultado, el recurso total de la unidad se reduce gradualmente, incluso si lo usa como almacenamiento de archivos.
Aquí hay un ejemplo de "mejora de escritura" debido a los mecanismos de nivelación de desgaste y recolección de basura:
- El valor WAF también se ve afectado por el funcionamiento del mecanismo de corrección de errores (ECC). Como ya se mencionó, es posible reducir su contribución a la "multiplicación de registros" mejorando los algoritmos, incluido LDPC .
- Con suficiente espacio libre en el SSD, algunos controladores pueden poner algunas de las celdas NAND en modo con menos niveles de grabación: de QLC a SLC. Esto acelera enormemente el funcionamiento del convertidor y aumenta su fiabilidad. Pero, con una disminución en el espacio libre, las celdas se sobrescribirán nuevamente en el modo con el número máximo de niveles. Cuanto más espacio libre en el SSD, más rápido y más eficiente funcionará, siempre que su controlador sea bastante avanzado y admita esta función. Si mantiene parte de las celdas más utilizadas en modo SLC, esto aumenta el WAF general, pero reduce el desgaste.
Con el crecimiento de WAF, QLC se combate con varios métodos.
Por ejemplo, el uso de sobreaprovisionamiento (OP): la asignación para negocios necesita una parte del volumen que no está disponible para el usuario.
OP = ( — ) /Cuanto mayor es el área asignada, más libertad tiene el controlador y más rápido funcionan sus algoritmos. Por ejemplo, anteriormente, bajo OP, se distinguió la diferencia entre los gigabytes "reales" y "de comercialización", es decir, entre 10
9 = 1 000 000 000 bytes y 2
30 = 1 073 741 824 bytes y eso equivale al 7.37% del volumen total de la unidad. Hay varios otros trucos para asignar espacio de oficina. Por ejemplo, los controladores modernos le permiten usar dinámicamente todo el volumen libre actual del disco bajo OP.
Una dependencia aproximada de WAF del tamaño de OP:
Reduce WAF y el algoritmo de separación de datos estáticos y dinámicos. El controlador calcula qué datos a menudo se sobrescriben y cuáles se leen principalmente, o no se modifican en absoluto, y agrupa los bloques de datos en el disco en consecuencia.
Otras herramientas para reducir WAF en unidades QLC incluyen técnicas de grabación secuencial (más o menos esto se puede comparar con la desfragmentación HDD habitual). El algoritmo determina los bloques que pueden pertenecer a un archivo grande y no requieren procesamiento por parte del recolector de basura. Si el sistema operativo da un comando para eliminar o modificar este archivo, entonces sus bloques se borrarán o sobrescribirán como un todo sin ser incluidos en el ciclo WA, lo que aumenta la velocidad y desgasta menos las celdas de memoria. Finalmente, la compresión y deduplicación de datos previos a la escritura contribuyen a la lucha contra WA.
Como ya entendió, la confiabilidad y los recursos de las unidades QLC dependen no solo de los chips de memoria utilizados, sino también del rendimiento del controlador y, lo más importante, del avance de todo tipo de algoritmos integrados en el controlador. Muchas compañías, incluso las grandes, compran controladores de otras compañías especializadas en su lanzamiento. Las pequeñas empresas chinas utilizan controladores económicos y simples de generaciones pasadas, guiados no por la calidad y la novedad de los algoritmos, sino por el precio. Las grandes empresas no ahorran en hardware para sus SSD y eligen controladores que proporcionan al disco una larga vida y una operación más rápida. Los líderes entre los fabricantes de controladores para SSD cambian constantemente. Pero aparte de los controladores complejos, los algoritmos de firmware también juegan un papel muy importante, que los grandes fabricantes desarrollan de forma independiente, sin confiar este importante asunto a empresas de terceros.
Conclusiones
La principal ventaja de QLC sobre las unidades en chips TLC y MLC es que logró poner aún más memoria en el mismo volumen físico. Por lo tanto, QLC no desplazará a las tecnologías anteriores del mercado, y mucho menos a los competidores por los discos duros.
La diferencia entre QLC y TLC en la velocidad se notará al iniciar programas pesados y con un intercambio de datos intensivo. Pero un usuario común puede no darse cuenta de esto, porque en las computadoras del nivel para el que se recomiendan las unidades QLC, el programa espera más tiempo por las acciones del usuario que con los datos.
Podemos decir con seguridad que el nicho de unidades de bajo costo para computadoras de bajo rendimiento, cuando no tiene sentido pagar de más por una mayor confiabilidad o velocidades máximas de escritura y lectura, se ha ocupado con éxito. En tales computadoras, el QLC SSD puede ser la única unidad en la que se instalarán el sistema y los programas necesarios, así como los datos del usuario. Pero en la empresa, la revolución no sucedió; aquí, como antes, seguirán prefiriendo el TLC más confiable y el HDD lento pero sin pretensiones.
Sin embargo, la tecnología no se detiene, ya a principios de este año, los fabricantes prometen comenzar la transición a un proceso de fabricación de 7 nm, y en el futuro, en 2021 y más adelante, se avecinan procesos de fabricación de 5 y 3 nm. Se están mejorando los algoritmos del controlador, algunas compañías prometen unidades SSD inteligentes que serán varias veces más rápidas, con algunos casos de uso específicos, se planea el desarrollo de tecnologías 3D NAND.
Entonces, espere un par de años y vea qué más nos pueden ofrecer los fabricantes.
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