QLC-basierte SSDs - ein Festplattenkiller? Nicht wirklich

SSD-Laufwerke gehören längst nicht mehr zu den Kategorien teurer und unzuverlässiger Exoten und sind zu einem vertrauten Bestandteil von Computern aller Ebenen geworden, von Budget Office-Schreibmaschinen bis hin zu leistungsstarken Servern.

In diesem Artikel möchten wir über eine neue Stufe in der Entwicklung von SSDs sprechen - die nächste Erhöhung der Datenaufzeichnungsstufe in NAND: etwa vierstufige Zellen mit jeweils 4 Bit oder QLC (Quad-Level Cell). Mit dieser Technologie hergestellte Speichergeräte haben eine höhere Aufzeichnungsdichte, dies vereinfacht die Erhöhung ihres Volumens und die Kosten sind niedriger als bei SSDs mit „herkömmlichen“ MLC- und TLC-Zellen.



Wie erwartet war es im Entwicklungsprozess notwendig, viele Probleme im Zusammenhang mit dem Übergang zu einer neuen Technologie zu lösen. Riesenunternehmen bewältigen sie erfolgreich, und kleine chinesische Unternehmen bleiben immer noch zurück, ihre Antriebe sind weniger technologisch, aber billiger.

Wie dies geschah, ob ein neuer „HDD-Killer“ auftauchte und ob es notwendig war, in die Läden zu laufen und alle HDDs und SSDs früherer Generationen durch neue zu ersetzen, werden wir weiter unten erläutern.

Im Zuge der Entwicklung von Speichergeräten änderte sich die Art und Weise der Speicherung von Informationen, der Herstellungsprozess wurde immer heikler und die Aufzeichnungsdichte in einer einzelnen Zelle und auf einem Chip nahm zu. Die Controller verbesserten ihre Algorithmen, die Schreibgeschwindigkeit näherte sich der Lesegeschwindigkeit und dann begannen sie schnell zu wachsen. Heute hat die Gleichmäßigkeit der Verteilung von Anrufen an NAND-Speicherzellen ein bestimmtes Optimum erreicht, die Zuverlässigkeit der Informationsspeicherung hat sich um ein Vielfaches erhöht und entspricht nahezu der herkömmlicher Festplatten. Im Zuge der raschen Entwicklung der Technologie wurden SSDs in verschiedenen Formfaktoren ausgegeben.





Jetzt auf dem Markt gibt es eine riesige Auswahl an Laufwerken verschiedener Unternehmen, sowohl der ersten Stufe der A-Marken, als auch chinesischer Unternehmen, die versucht haben, genügend SSDs für alle zu haben

Was bietet uns die QLC-Technologie?

Die Anzahl der in einer einzelnen NAND-Zelle aufgezeichneten Bits wird durch die Anzahl der Ladungspegel im Floating-Gate-Transistor bestimmt. Je mehr Bits vorhanden sind, desto mehr Bits kann ein einzelner Transistor speichern. Dies ist der Hauptunterschied zwischen der QLC-Technologie und der „vorherigen“ DC - die Anzahl der Bits in einer Zelle hat sich von drei auf vier erhöht .

Mit zunehmender Anzahl der Ladezustände ändern sich die Eigenschaften des Laufwerks erheblich: Die Zugriffsgeschwindigkeit nimmt ab, die Zuverlässigkeit der Informationsspeicherung nimmt ab, die Kapazität nimmt jedoch zu und das Preis-Leistungs-Verhältnis wird für Kunden attraktiver. Dementsprechend sind auf QLC-Technologie basierende Chips billiger als die TLC der vorherigen Generation, die drei Bits in einer Zelle speichert. Gleichzeitig sind QLCs weniger zuverlässig, da die Wahrscheinlichkeit eines Zellausfalls mit jedem neuen Level signifikant zunimmt.

Neben der Komplexität einer einzelnen Zelle entstehen andere. Aufgrund der Tatsache, dass die Speicherchips mithilfe der 3D-NAND-Technologie hergestellt werden, handelt es sich um dreidimensionale Anordnungen von Zellen, die dicht übereinander gepackt sind, und Zellen in benachbarten "Stockwerken" beeinflussen sich gegenseitig und beeinträchtigen das Leben ihrer Nachbarn. Darüber hinaus enthalten moderne Chips mehr Schichten als Produkte früherer Generationen. Zum Beispiel impliziert eine der Technologien zur Erhöhung der Speicherdichte eine Erhöhung der Anzahl der Schichten im Kristall von 48 auf 64. Im Rahmen einer anderen Technologie werden zwei 48-Schicht-Kristalle "verlötet", wodurch die Gesamtzahl auf 96 erhöht wird, was sehr hohe Anforderungen an die Ausrichtung der Grenzen in diesem "stellt". Sandwich “gibt es mehr Fehlerquellen und der Anteil der Ehe wächst. Trotz der Komplexität des Verfahrens erweist sich eine solche Technologie als rentabler als der Versuch, Schichten in einem Kristall zu züchten, da die Zurückweisung mit zunehmender Anzahl von Schichten nicht linear zunimmt und eine geringe Ausbeute an geeigneten Chips zu viel kosten würde. Fairerweise sollte beachtet werden, dass sich nur erstklassige Unternehmen solche Entwicklungen leisten können. Einige chinesische Chiphersteller haben nicht auf 64-Schicht-Kristalle umgestellt, und bisher verfügen nur elektronische Giganten wie Intel und Micron über die Technologie, zwei 48-Schicht-Kristalle zu „kleben“.


3D NAND

Eine weitere Neuheit, die in Antrieben einer neuen Generation von A-Marken verwendet wird, ist die Übertragung von Steuerungs- und Versorgungsbändern auf eine Reihe von Zellen. Aufgrund dessen nahm die Fläche der Kristalle ab und es wurde möglich, vier Speicherbänke dort zu platzieren, wo sich zuvor nur zwei befanden. Dies wiederum ermöglichte es, Abfragen zu parallelisieren und die Arbeit mit dem Speicher zu beschleunigen. Zusätzlich erlaubte die kleinere Fläche der Kristalle, die Speicherkapazität zu erhöhen.

Eine erhöhte Zelldichte hilft auch, eine schnellere Gedächtnisverschlechterung zu bekämpfen. Wir haben diese Aufgabe „frontal“ mit Hilfe einer noch größeren Redundanz des Zellenarrays gelöst.

Die Prototypen von QLC-Chips wurden im vergangenen Sommer gezeigt, und die ersten Versprechungen, SSDs mit neuer Technologie freizugeben, wurden Anfang dieses Jahres gemacht. Im Sommer gaben fast alle Hersteller von Laufwerken an, dass sie für die Massenproduktion bereit seien, und gaben die Namen neuer Modelle, ihre Preise und Spezifikationen an. Jetzt können Sie SSDs mit QLC-Chips kaufen. Die meisten Modelle sind im M.2- und 2,5-Zoll-Formfaktor mit Kapazitäten von 512 Gigabyte, 1 und 2 Terabyte erhältlich.

QLC-Speicherpositionierung

Zunächst muss man zugeben, dass Laufwerke, die mit der neuen QLC-Technologie erstellt wurden, für schwerwiegende / kritische Aufgaben grundsätzlich ungeeignet sind. Der Grund dafür ist eine Reihe technischer Schwierigkeiten, die Ingenieure sowohl großer Erfinder als auch chinesischer "Anhänger" lösen müssen.

Auf der Intel-Website werden neue SSDs beispielsweise nur im mittleren Bereich für Heimcomputer angeboten. Besonders gerechtfertigt ist ihre Verwendung in Netbooks mit geringer Leistung, deren Aufgaben keine Spiele oder das Arbeiten mit Datenbanken umfassen, und die Kosten sind im Gegenteil sehr wichtig. Solche "Schreibmaschinen" werden immer gefragter. Für die Arbeit im Unternehmenssegment werden nur Laufwerke mit MLC- und TLC-Chips angeboten.

Wenn wir die Eigenschaften von Marken-SSDs vergleichen (billige chinesische machen keinen Sinn, preiswerte Controller töten alle Eigenschaften), dann ist der Durchschnittspreis für QLC-Laufwerke bei gleichem Formfaktor und Volumen etwa 20 bis 30% niedriger als bei MLC.



Zugriffsgeschwindigkeit . Für ein Modell mit QLC-Chips gilt Folgendes: Zum Lesen von bis zu 1500 Mbit / s, zum Schreiben von bis zu 1000 Mbit / s. Für das Modell auf DC-Chips - 3210 Mb / s bzw. 1625 Mb / s. Die Schreibgeschwindigkeit des QLC-Laufwerks ist eineinhalb Mal niedriger und die Lesegeschwindigkeit zwei. Der Unterschied ist erheblich, aber für das Surfen im Internet und das Bearbeiten von Texten - mehr als genug.

TBW (Total Bytes Written) . Ein kritischer Parameter, der die SSD-Ressource kennzeichnet. Er spricht über die maximale Anzahl von Terabyte, die auf das Laufwerk geschrieben werden können. Je höher die TBW, desto zäher das Laufwerk und desto länger kann es ohne Fehler arbeiten. Für alle Modelle der 760p-Serie beträgt die Ressource 288 TBW und für 660p nur 100 TBW. Fast dreimal so groß wie der Unterschied.

DWPD (Drive Writes Per Day) . Diese Zuverlässigkeitsanzeige gibt an, wie oft am Tag Sie das gesamte Laufwerk überschreiben können, und wird nach folgender Formel berechnet:

DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5

Dabei ist 0,512 das Volumen des Laufwerks in Terabyte.
365 - die Anzahl der Tage in einem Jahr;
5 - die Anzahl der Garantiejahre.

DWPD ist objektiver, da bei der Berechnung die Zeit berücksichtigt wird, in der der Hersteller sich bereit erklärt, Probleme mit dem Laufwerk kostenlos zu lösen. DWPD beträgt 0,1 für das QLC-Modell und 0,32 für die TLC-Modelle. Mit anderen Worten, in diesem Beispiel kann der QLC jeden Tag 50 GB vollständig überschreiben - dies ist seine normale Betriebsart. Wenn man bedenkt, dass die Kapazität von QLC-Laufwerken bei gleichem Preis höher ist als die von MLC, ist es unwahrscheinlich, dass der durchschnittliche Benutzer einer „Schreibmaschine mit Internet“ diese Ressource entwickeln kann.

Diese beiden Geräte sind ein anschauliches Beispiel dafür, wie Ingenieure viele technische Schwierigkeiten lösen müssen, die in der QLC heller erschienen als in der TLC. Insbesondere hat QLC eine niedrigere Schreib- und Lesezugriffsgeschwindigkeit, eine geringere Ressource und einen höheren WAF-Koeffizienten (mehr dazu weiter unten). Schauen wir uns die Hauptschwierigkeiten und -methoden genauer an.

Zugriffsgeschwindigkeit

Beginnen wir mit einer der auffälligsten Funktionen der QLC-SSD für den Benutzer: Niedrigere Schreibgeschwindigkeit, wenn der Cache des Laufwerks voll ist . Da die Zugriffsgeschwindigkeit von QLC bereits relativ niedrig ist, versuchen die Hersteller, sie durch Caching zu erhöhen. Die SSD verwendet hierfür ein eigenes Array von Plattenzellen, die in einen Einzelbit-Betriebsmodus - SLC - übertragen werden.

Es gibt mehrere Caching-Algorithmen. Oft wird ein kleiner Teil der Kapazität des Laufwerks selbst für den Cache reserviert - im Durchschnitt von 2 bis 16 GB können in einigen Modellen bis zu mehreren zehn Gigabyte vorhanden sein. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass bei einem intensiven Datenaustausch während des Computerbetriebs eine kleine Menge Cache schnell voll werden kann und die Lese- / Schreibgeschwindigkeit stark abnimmt.

Immer mehr Technologieunternehmen verwenden fortschrittliche Controller, die einen Teil der Zellen dynamisch in den SLC-Schnellmodus übertragen können. In diesem Fall hängt die Cache-Größe vom gesamten Laufwerksvolumen ab und kann 10% erreichen. In modernen SSDs werden beide Methoden verwendet: Eine relativ kleine Menge statischen Caches wird durch ein dynamisch zugewiesenes Volume ergänzt, das um ein Vielfaches größer ist. Je mehr freier Speicherplatz vorhanden ist, desto größer ist der Cache und desto schwieriger ist es, seine Größe zu erschöpfen. Es ist logisch, dass ein größeres Laufwerk einen größeren Cache hat, was bedeutet, dass der darin enthaltene dynamische Cache effizienter arbeitet.


Eine eindeutige Abhängigkeit der Größe des SLC-Caches von der Lautstärke des Laufwerks und dem freien Speicherplatz darauf.

Lesefehler

Die zunehmende Komplexität der QLC-Architektur im Vergleich zur TLC hat zu einer Zunahme der Anzahl von Datenlesefehlern geführt. Um sie zu korrigieren, musste die erzwungene Verwendung von ECC-Algorithmen (Fehlerkorrekturcode, Fehlerkorrekturcodes) implementiert werden . Mit ihrer Hilfe korrigiert der Controller unabhängig fast alle Datenlesefehler. Die Entwicklung effektiver Korrekturalgorithmen ist eine der schwierigsten Aufgaben beim Erstellen von QLC-Laufwerken, da nicht nur eine hohe Korrektureffizienz (ausgedrückt in der Anzahl der korrigierten Bits pro 1 KB Daten) sichergestellt werden muss, sondern auch so wenig Speicherzellen wie möglich zum Speichern ihrer Ressourcen verwendet werden müssen . Zu diesem Zweck führen Hersteller produktivere Steuerungen ein, verwenden jedoch vor allem leistungsstarke wissenschaftliche und statistische Geräte, um Algorithmen zu erstellen und zu verbessern.

Ressource

Merkmale der QLC-Architektur verringern nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern führen auch zum Phänomen der "Schreibverstärkung" (Write Amplification, WA) . Obwohl es korrekter wäre, "Multiplikation der Aufzeichnung" zu sagen, ist die Option "Verstärkung" in Runet weitaus häufiger.

Was ist WA? In einer SSD gibt es physisch mit Zellen viel mehr Lese- / Schreibvorgänge, als für die Datenmenge erforderlich sind, die direkt vom Betriebssystem empfangen wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Festplatten mit einem sehr kleinen „Quantum“ wiederbeschreibbarer Daten werden die Daten auf der SSD auf ziemlich großen „Seiten“ gespeichert, normalerweise jeweils 4 KB. Es gibt auch das Konzept des „Blockierens“ - die Mindestanzahl von Seiten, die neu geschrieben werden können. Normalerweise enthält ein Block 128 bis 512 Seiten.

Ein Umschreibungszyklus in einer SSD besteht beispielsweise aus mehreren Vorgängen:

1. Verschieben von Seiten aus dem gelöschten Block an einen temporären Speicherort.
2. Räumen Sie den Raum frei, den der Block einnimmt.
3. Schreiben Sie den temporären Block neu, indem Sie neue Seiten hinzufügen.
4. schreibe den aktualisierten Block an die alte Stelle,
5. Reinigen Sie den Platz für die vorübergehende Lagerung.

Wie Sie sehen können, liest und löscht dieser Vorgang wiederholt relativ große Datenmengen in verschiedenen Bereichen des Laufwerks, selbst wenn das Betriebssystem nur wenige Bytes ändern möchte. Dies erhöht den Zellverschleiß erheblich. Darüber hinaus reduzieren die "zusätzlichen" Lese- / Schreibvorgänge den Durchsatz des Flash-Speichers erheblich.

Der Grad der "Schreibverstärkung" wird durch den WAF (Write Amplification Factor) ausgedrückt: das Verhältnis der tatsächlich wiederbeschreibbaren Datenmenge zu der Menge, die neu geschrieben werden muss. Wenn keine Komprimierung verwendet wird, beträgt WAF im Idealfall 1. Die tatsächlichen Werte hängen sehr stark von verschiedenen Faktoren ab, z. B. von der Größe der wiederbeschreibbaren Blöcke und den in Steuerungen verwendeten Algorithmen.

Und da QLC-Zellen viel empfindlicher auf die Anzahl der Umschreibungszyklen reagieren, ist die WAF-Größe viel wichtiger geworden als für DC und MLC.

Welche anderen Faktoren wirken sich negativ auf WAF in QLC-Laufwerken aus?

• Der Garbage Collection-Algorithmus , der nach ungleichmäßig gefüllten Blöcken sucht, die gleichzeitig leere und gefüllte Seiten enthalten, überschreibt diese so, dass die Blöcke nur leere oder nur gefüllte Seiten enthalten, wodurch die Anzahl der Operationen, die zu WA führen, weiter reduziert wird.
  
  
• Tragen Sie eine Nivellierung . Blöcke, auf die das System häufig zugreift, werden regelmäßig in Zellen verschoben, anstatt in Blöcke, die weniger gefragt sind. Dies soll sicherstellen, dass alle Speicherzellen im Laufwerk gleichmäßig abgenutzt sind. Infolgedessen wird die Gesamtressource des Laufwerks schrittweise reduziert, selbst wenn Sie es als Archivspeicher verwenden.
  
  Hier ist ein Beispiel für eine "Schreibverbesserung" aufgrund der Mechanismen zur Verschleißnivellierung und Speicherbereinigung:
  
  
• Der WAF-Wert wird auch durch den Betrieb des Fehlerkorrekturmechanismus (ECC) beeinflusst. Wie bereits erwähnt, ist es möglich, seinen Beitrag zur „Datensatzmultiplikation“ durch Verbesserung der Algorithmen, einschließlich LDPC, zu reduzieren.
• Mit genügend freiem Speicherplatz auf der SSD können einige Controller einige der NAND-Zellen mit weniger Aufnahmepegeln in den Modus versetzen: von QLC zu SLC. Dies beschleunigt den Betrieb des Laufwerks erheblich und erhöht dessen Zuverlässigkeit. Bei einer Verringerung des freien Speicherplatzes werden die Zellen jedoch im Modus mit der maximalen Anzahl von Ebenen erneut überschrieben. Je mehr freier Speicherplatz auf der SSD vorhanden ist, desto schneller und effizienter arbeitet sie, vorausgesetzt, der Controller ist weit fortgeschritten und unterstützt diese Funktion. Wenn Sie einen Teil der am aktivsten verwendeten Zellen im SLC-Modus belassen, erhöht dies die Gesamt-WAF, verringert jedoch den Verschleiß.

Mit dem Wachstum von WAF wird QLC mit verschiedenen Methoden bekämpft.

Für die Verwendung von Over-Provisioning (OP) - Zuweisung für Unternehmen ist beispielsweise ein Teil des Volumes erforderlich, der dem Benutzer nicht zur Verfügung steht.

OP = ( — ) /

Je größer der zugewiesene Bereich ist, desto mehr Freiheit hat der Controller und desto schneller arbeiten seine Algorithmen. Beispielsweise wurde früher unter OP die Differenz zwischen den Gigabyte "real" und "Marketing" zugewiesen, dh zwischen 10 ⁹ = 1 000 000 000 Byte und 2 ³⁰ = 1 073 741 824 Byte, was 7,37% des Gesamtvolumens des Laufwerks entspricht. Es gibt eine Reihe anderer Tricks, um Büroflächen zuzuweisen. Mit modernen Controllern können Sie beispielsweise das gesamte aktuelle freie Volume des Laufwerks unter OP dynamisch nutzen.

Eine ungefähre Abhängigkeit von WAF von der Größe von OP:



Reduziert WAF und den Algorithmus zur Trennung von statischen und dynamischen Daten. Der Controller berechnet, welche Daten häufig überschrieben und welche hauptsächlich gelesen oder überhaupt nicht geändert werden, und gruppiert Datenblöcke auf der Festplatte entsprechend.

Andere Werkzeuge zur Reduzierung der WAF in QLC-Laufwerken umfassen sequentielle Aufzeichnungstechniken (dies kann sehr grob mit der üblichen Defragmentierung der Festplatte verglichen werden). Der Algorithmus ermittelt Blöcke, die zu einer großen Datei gehören können und nicht vom Garbage Collector verarbeitet werden müssen. Wenn das Betriebssystem einen Befehl zum Löschen oder Ändern dieser Datei gibt, werden die Blöcke als Ganzes gelöscht oder überschrieben, ohne in den WA-Zyklus aufgenommen zu werden. Dies erhöht die Geschwindigkeit und verschleißt die Speicherzellen weniger. Schließlich tragen die Komprimierung und Deduplizierung von Daten vor dem Schreiben zum Kampf gegen WA bei.

Wie Sie bereits verstanden haben, hängt die Zuverlässigkeit und Ressource von QLC-Laufwerken nicht nur von den verwendeten Speicherchips ab, sondern auch von der Leistung des Controllers und vor allem von der Weiterentwicklung aller Arten von Algorithmen, die in den Controller eingebettet sind. Viele Unternehmen, auch große, kaufen Controller von anderen Unternehmen, die auf ihre Veröffentlichung spezialisiert sind. Kleine chinesische Firmen verwenden kostengünstige und einfache Steuerungen vergangener Generationen, die sich nicht an der Qualität und Neuheit der Algorithmen, sondern am Preis orientieren. Große Unternehmen sparen keine Hardware für ihre SSDs und wählen Controller, die dem Laufwerk eine lange Lebensdauer und einen schnelleren Betrieb bieten. Die Marktführer bei SSD-Controllern wechseln ständig. Neben komplexen Controllern spielen auch Firmware-Algorithmen eine große Rolle, die große Hersteller unabhängig entwickeln und Drittunternehmen diese wichtige Angelegenheit nicht anvertrauen.

Schlussfolgerungen

Der Hauptvorteil von QLC gegenüber Laufwerken auf TLC- und MLC-Chips besteht darin, dass noch mehr Speicher auf demselben physischen Volume gespeichert werden konnte. QLC wird also frühere Technologien vom Markt nicht verdrängen, geschweige denn Konkurrenten für Festplatten.

Der Geschwindigkeitsunterschied zwischen QLC und TLC macht sich beim Starten schwerer Programme und bei intensivem Datenaustausch bemerkbar. Ein gewöhnlicher Benutzer kann dies jedoch nicht bemerken, da das Programm auf Computern der Ebene, für die QLC-Laufwerke empfohlen werden, länger auf Benutzeraktionen wartet, als es mit Daten arbeitet.

Wir können mit Sicherheit sagen, dass die Nische kostengünstiger Laufwerke für Computer mit geringer Leistung, bei denen es keinen Sinn macht, für eine höhere Zuverlässigkeit oder maximale Schreib- und Lesegeschwindigkeiten zu viel zu bezahlen, erfolgreich besetzt wurde. In solchen Computern ist die QLC-SSD möglicherweise das einzige Laufwerk, auf dem das System und die erforderlichen Programme sowie die Benutzerdaten installiert werden. Aber im Unternehmen - die Revolution hat nicht stattgefunden, hier werden sie nach wie vor die zuverlässigere TLC und die langsame, aber unprätentiöse Festplatte bevorzugen.

Die Technologie steht jedoch nicht still. In diesem Jahr versprechen die Hersteller, mit dem Übergang zur 7-nm-Prozesstechnologie zu beginnen. In Zukunft werden ab 2021 5- und 3-nm-Prozesstechnologien eingeführt. Controller-Algorithmen werden verbessert, einige Unternehmen versprechen intelligente SSD-Laufwerke, die um ein Vielfaches schneller sein werden. Bei bestimmten Nutzungsszenarien ist die Entwicklung von 3D-NAND-Technologien geplant.

Warten Sie also ein paar Jahre und sehen Sie, was uns die Hersteller sonst noch bieten können.

Weitere Informationen zu Kingston-Produkten finden Sie auf der offiziellen Website des Unternehmens .