SSD berbasis QLC - pembunuh hard drive? Tidak juga

SSD-drive telah lama keluar dari kategori eksotis yang mahal dan tidak dapat diandalkan dan telah menjadi komponen komputer yang umum di semua tingkatan, dari "mesin tik" kantor anggaran hingga server yang kuat.

Pada artikel ini kami ingin berbicara tentang tahap baru dalam evolusi SSD - peningkatan selanjutnya dalam tingkat perekaman data di NAND: tentang sel empat tingkat dengan masing-masing 4 bit, atau QLC (Quad-Level Cell). Perangkat penyimpanan yang dibuat menggunakan teknologi ini memiliki kepadatan perekaman yang lebih tinggi, ini menyederhanakan peningkatan volumenya, dan biayanya lebih rendah daripada SSD dengan sel MLC dan TLC "tradisional".



Seperti yang diharapkan, dalam proses pengembangan itu perlu untuk menyelesaikan banyak masalah yang terkait dengan transisi ke teknologi baru. Perusahaan-perusahaan raksasa berhasil mengatasinya, dan perusahaan-perusahaan Cina kecil masih tertinggal, dorongan mereka kurang teknologi, tetapi lebih murah.

Bagaimana ini terjadi, apakah "HDD killer" baru muncul dan apakah perlu lari ke toko, mengubah semua HDD dan SSD dari generasi sebelumnya ke yang baru - kami akan memberi tahu di bawah ini.

Dalam proses evolusi perangkat penyimpanan, cara penyimpanan informasi berubah, proses pembuatan menjadi lebih dan lebih halus, dan kepadatan perekaman dalam satu sel dan pada chip meningkat. Pengontrol meningkatkan algoritme mereka, kecepatan menulis mendekati kecepatan membaca, dan kemudian mereka mulai tumbuh dengan cepat. Saat ini, keseragaman distribusi panggilan ke sel memori NAND telah mencapai optimal tertentu, keandalan penyimpanan informasi telah tumbuh berkali-kali dan hampir sama dengan HDD tradisional. Dalam proses perkembangan teknologi yang pesat, SSD mulai dikeluarkan dalam berbagai faktor bentuk.





Sekarang di pasaran ada banyak pilihan drive dari berbagai perusahaan, baik eselon pertama merek-A, dan dari perusahaan Cina yang telah mencoba memiliki SSD yang cukup untuk semua orang.

Apa yang ditawarkan teknologi QLC kepada kami?

Jumlah bit yang direkam dalam sel NAND tunggal ditentukan oleh berapa banyak level muatan dalam transistor gerbang mengambang. Semakin banyak, semakin banyak bit yang bisa disimpan oleh satu transistor. Ini adalah perbedaan utama antara teknologi QLC dan TLC "sebelumnya" - jumlah bit dalam satu sel meningkat dari tiga menjadi empat .

Dengan peningkatan jumlah level pengisian, karakteristik drive sangat berubah: kecepatan akses menurun, keandalan penyimpanan informasi menurun, tetapi kapasitas meningkat, dan rasio harga / volume menjadi lebih menarik bagi pelanggan. Oleh karena itu, chip yang dibangun pada teknologi QLC lebih murah daripada TLC generasi sebelumnya, yang menyimpan tiga bit dalam satu sel. Pada saat yang sama, QLC kurang dapat diandalkan karena probabilitas kegagalan sel meningkat secara signifikan pada setiap level baru.

Selain kompleksitas satu sel tunggal, yang lain muncul. Karena fakta bahwa chip memori dibuat menggunakan teknologi 3D NAND, mereka adalah susunan tiga dimensi sel yang padat satu di atas yang lain, dan sel-sel di "lantai" tetangga saling mempengaruhi satu sama lain, merusak kehidupan tetangga mereka. Selain itu, chip modern mengandung lebih banyak lapisan dari produk generasi sebelumnya. Sebagai contoh, salah satu teknologi untuk meningkatkan kepadatan memori menyiratkan peningkatan jumlah lapisan dalam kristal dari 48 menjadi 64. Dalam kerangka teknologi lain, dua kristal 48-lapisan adalah "disolder", sehingga jumlah totalnya menjadi 96, yang memberikan persyaratan sangat tinggi pada penyelarasan batas dalam "ini." sandwich ”, ada lebih banyak poin kegagalan dan bagian pernikahan meningkat. Terlepas dari kerumitan prosesnya, teknologi seperti itu ternyata lebih menguntungkan daripada mencoba menumbuhkan lapisan dalam satu kristal, karena penolakan meningkat secara non-linear dengan peningkatan jumlah lapisan, dan hasil rendah dari chip yang sesuai akan memakan biaya terlalu banyak. Dalam keadilan, harus dicatat bahwa hanya perusahaan papan atas yang mampu melakukan pengembangan seperti itu. Beberapa pembuat chip Cina belum beralih ke kristal 64-layer, dan sejauh ini hanya raksasa elektronik seperti Intel dan Micron yang memiliki teknologi "menempelkan" dua kristal 48-layer.


3D NAND

Kebaruan lain yang digunakan dalam drive generasi baru merek A adalah transfer kontrol dan pasokan yang mengikat ke berbagai sel. Karena ini, area kristal menurun dan menjadi mungkin untuk menempatkan empat bank memori di mana sebelumnya hanya dua yang berada. Dan ini, pada gilirannya, memungkinkan untuk memparalelkan pertanyaan dan meningkatkan kecepatan bekerja dengan memori. Selain itu, area kristal yang lebih kecil memungkinkan untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan.

Kepadatan sel yang meningkat juga membantu memerangi degradasi memori yang lebih cepat. Kami menangani tugas ini "langsung", dengan bantuan redundansi yang lebih besar dari susunan sel.

Prototipe QLC-chip ditunjukkan musim panas lalu, dan janji-janji pertama untuk merilis SSD menggunakan teknologi baru dibuat awal tahun ini. Di musim panas, hampir semua perusahaan yang memproduksi drive, melaporkan bahwa mereka siap untuk produksi massal, menyuarakan nama-nama model baru, harga dan spesifikasi mereka. Sekarang Anda dapat membeli SSD dengan chip QLC. Sebagian besar model tersedia dalam bentuk faktor M.2 dan 2.5 ", dengan kapasitas 512 gigabytes, 1 dan 2 terabyte.

Posisi Penyimpanan QLC

Untuk mulai dengan, wajar untuk mengakui bahwa drive yang dibuat menggunakan teknologi QLC baru secara kategoris tidak cocok untuk tugas-tugas serius / kritis. Dan alasan untuk ini adalah sejumlah kesulitan teknis yang harus diselesaikan oleh para insinyur dari penemu-perusahaan besar dan "pengikut" Cina.

Misalnya, di situs web Intel, SSD baru hanya ditawarkan di segmen kelas menengah untuk komputer rumahan. Terutama dibenarkan adalah penggunaannya dalam netbook berkinerja rendah, yang tugasnya tidak termasuk permainan atau bekerja dengan database, dan biaya, sebaliknya, sangat penting. "Mesin tik" seperti itu semakin banyak diminati. Untuk bekerja di segmen perusahaan, hanya drive dengan chip MLC dan TLC yang ditawarkan.

Jika kita membandingkan karakteristik SSD bermerek (yang murah Cina tidak masuk akal, pengendali murah membunuh semua karakteristik), maka harga rata-rata QLC-drive sekitar 20-30% lebih rendah daripada MLC, dengan faktor bentuk dan volume yang sama.



Kecepatan akses . Untuk model dengan chip QLC, itu adalah: untuk membaca hingga 1500 Mb / s, untuk menulis hingga 1000 Mb / s. Untuk model pada chip TLC - 3210 Mb / s dan 1625 Mb / s, masing-masing. Kecepatan tulis drive QLC adalah satu setengah kali lebih rendah, dan kecepatan baca adalah dua. Perbedaannya signifikan, tetapi untuk menjelajahi internet dan mengedit teks - lebih dari cukup.

TBW (Total Bytes Ditulis) . Parameter kritis mencirikan sumber daya SSD. Dia berbicara tentang jumlah maksimum terabyte yang dapat ditulis ke drive. Semakin tinggi TBW, semakin gigih drive dan semakin lama dapat bekerja tanpa gagal. Untuk semua model seri 760p, sumber daya adalah 288 TBW, dan untuk 660p - hanya 100 TBW. Perbedaannya hampir tiga kali lipat.

DWPD (Drive Menulis Per Hari) . Indikator keandalan ini menunjukkan berapa kali sehari Anda dapat menimpa seluruh drive, dan dihitung dengan rumus:

DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5

di mana 0,512 adalah volume drive dalam terabyte;
365 - jumlah hari dalam setahun;
5 - jumlah tahun garansi.

DWPD lebih objektif, karena perhitungan memperhitungkan waktu selama pabrikan setuju untuk menyelesaikan masalah dengan drive secara gratis. DWPD adalah 0,1 untuk model QLC, dan 0,32 untuk model TLC. Dengan kata lain, dalam contoh ini, setiap hari QLC dapat sepenuhnya menimpa 50 GB - ini adalah mode operasi normal. Mengingat bahwa pada harga yang sama, kapasitas QLC-drive lebih tinggi daripada MLC, rata-rata pengguna "mesin tik dengan Internet" tidak mungkin memiliki waktu untuk mengembangkan sumber daya ini.

Kedua perangkat ini adalah contoh nyata tentang bagaimana para insinyur harus menyelesaikan banyak kesulitan teknis, yang tampak lebih cerah di QLC daripada di TLC. Secara khusus, QLC memiliki kecepatan akses tulis dan baca yang lebih rendah, sumber daya yang lebih rendah, koefisien WAF yang lebih tinggi (lebih banyak tentangnya di bawah). Mari kita lihat lebih dekat kesulitan utama dan metode untuk menyelesaikannya.

Kecepatan akses

Mari kita mulai dengan salah satu fitur QLC SSD yang paling nyata bagi pengguna - kecepatan menulis yang lebih rendah saat cache drive penuh . Karena kecepatan akses QLC sudah relatif rendah, produsen berusaha meningkatkannya dengan caching. SSD menggunakan susunan sel disknya sendiri untuk ini, yang ditransfer ke mode operasi bit tunggal - SLC.

Ada beberapa algoritma caching. Seringkali, sebagian kecil dari kapasitas drive itu sendiri dialokasikan untuk cache - rata-rata, dari 2 hingga 16 GB, dalam beberapa model mungkin ada beberapa puluh gigabyte. Kerugian dari metode ini adalah bahwa jika ada pertukaran data yang intensif selama operasi komputer, maka sejumlah kecil cache dapat dengan cepat mengisi dan kecepatan baca / tulis akan turun tajam.

Semakin banyak perusahaan teknologi yang menggunakan pengontrol tingkat lanjut yang secara dinamis dapat mentransfer bagian sel ke mode cepat SLC, dalam hal ini ukuran cache tergantung pada volume total drive dan dapat mencapai 10%. Dalam SSD modern, kedua metode digunakan: sejumlah kecil cache statis ditambah dengan volume yang dialokasikan secara dinamis, yang berkali-kali lebih besar. Semakin banyak ruang kosong, semakin besar ukuran cache dan semakin sulit untuk menguras ukurannya. Adalah logis bahwa drive yang lebih besar memiliki cache yang lebih besar, yang berarti bahwa cache dinamis di dalamnya akan bekerja lebih efisien.


Ketergantungan yang jelas tentang ukuran cache SLC pada volume drive dan ruang kosong di atasnya.

Kesalahan membaca

Meningkatnya kompleksitas arsitektur QLC dibandingkan dengan TLC telah menyebabkan peningkatan jumlah kesalahan pembacaan data. Untuk memperbaikinya, diperlukan penerapan algoritma ECC (kode koreksi kesalahan, kode koreksi kesalahan) secara paksa. Dengan bantuan mereka, pengontrol secara independen mengoreksi hampir semua kesalahan pembacaan data. Dan pengembangan algoritma koreksi yang efektif adalah salah satu tugas yang paling sulit ketika membuat QLC-drive, karena itu diperlukan tidak hanya untuk memastikan efisiensi koreksi yang tinggi (dinyatakan dalam jumlah bit yang dikoreksi per 1 Kb data), tetapi juga menggunakan sel memori sesedikit mungkin untuk menghemat sumber dayanya. . Untuk melakukan ini, produsen memperkenalkan pengontrol yang lebih produktif, tetapi yang paling penting, mereka menggunakan perangkat ilmiah dan statistik yang kuat untuk membuat dan meningkatkan algoritma.

Sumberdaya

Fitur arsitektur QLC tidak hanya mengurangi keandalan, tetapi juga mengarah pada fenomena "tulis amplifikasi" (Write amplification, WA) . Meskipun akan lebih tepat untuk mengatakan "multiplikasi rekaman", namun, opsi "amplifikasi" jauh lebih umum di Runet.

Apa itu WA? Dalam SSD, secara fisik dengan sel, ada lebih banyak operasi baca / tulis daripada yang diperlukan untuk jumlah data yang diterima langsung dari sistem operasi. Tidak seperti HDD tradisional, yang memiliki "kuantum" data ditulis ulang yang sangat kecil, data pada SSD disimpan dalam "halaman" yang agak besar, biasanya masing-masing 4 KB. Ada juga konsep "blokir" - jumlah minimum halaman yang dapat ditulis ulang. Biasanya satu blok berisi dari 128 hingga 512 halaman.

Misalnya, siklus penulisan ulang dalam SSD terdiri dari beberapa operasi:

1. memindahkan halaman dari blok yang dihapus ke tempat penyimpanan sementara,
2. membersihkan ruang yang ditempati oleh blok,
3. tulis ulang blok sementara dengan menambahkan halaman baru,
4. tulis blok yang diperbarui ke tempat yang lama,
5. Bersihkan tempat yang digunakan untuk penyimpanan sementara.

Seperti yang Anda lihat, operasi ini berulang kali membaca dan menghapus sejumlah besar data di beberapa area drive, bahkan jika sistem operasi ingin mengubah hanya beberapa byte. Ini secara serius meningkatkan keausan sel. Selain itu, operasi baca / tulis "ekstra" secara signifikan mengurangi throughput memori flash.

Tingkat "amplifikasi tulis" dinyatakan oleh WAF (Faktor amplifikasi tulis): rasio jumlah data yang benar - benar dapat ditulis ulang dengan jumlah yang perlu ditulis ulang. Idealnya, ketika kompresi tidak digunakan, WAF adalah 1. Nilai aktual sangat tergantung pada berbagai faktor, misalnya, pada ukuran blok yang dapat ditulis ulang dan algoritma yang digunakan dalam pengontrol.

Dan karena sel-sel QLC jauh lebih sensitif terhadap jumlah siklus penulisan ulang, ukuran WAF menjadi jauh lebih penting daripada TLC dan MLC.

Apa faktor lain yang secara negatif mempengaruhi WAF dalam drive QLC?

• Algoritma pengumpulan sampah , yang mencari blok yang tidak rata yang secara bersamaan berisi halaman kosong dan diisi, menimpa mereka sehingga blok hanya berisi halaman kosong atau hanya diisi, yang selanjutnya mengurangi jumlah operasi yang mengarah ke WA.
  
  
• Leveling aus . Blok yang diakses sistem sering berpindah secara teratur ke sel alih-alih blok yang kurang diminati. Ini untuk memastikan bahwa semua sel memori di drive aus secara merata. Tetapi sebagai hasilnya, total sumber daya drive berkurang secara bertahap, bahkan jika Anda menggunakannya sebagai penyimpanan arsip.
  
  Berikut adalah contoh "peningkatan kualitas" karena mekanisme leveling dan pengumpulan sampah:
  
  
• Nilai WAF juga dipengaruhi oleh pengoperasian mekanisme koreksi kesalahan (ECC). Seperti yang telah disebutkan, adalah mungkin untuk mengurangi kontribusinya pada "rekam multiplikasi" dengan meningkatkan algoritma, termasuk LDPC .
• Dengan ruang kosong yang cukup pada SSD, beberapa pengontrol dapat menempatkan beberapa sel NAND ke mode dengan tingkat perekaman lebih sedikit: dari QLC ke SLC. Ini sangat mempercepat pengoperasian drive dan meningkatkan keandalannya. Tetapi, dengan penurunan ruang kosong, sel-sel lagi akan ditimpa dalam mode dengan jumlah level maksimum. Semakin banyak ruang kosong pada SSD, semakin cepat dan efisien akan bekerja, asalkan pengontrolnya cukup maju dan mendukung fungsi ini. Jika Anda menyimpan bagian dari sel yang paling aktif digunakan dalam mode SLC, ini meningkatkan WAF keseluruhan, tetapi mengurangi keausan.

Dengan pertumbuhan WAF, QLC diperjuangkan dengan berbagai metode.

Misalnya, menggunakan penyediaan berlebihan (OP) - mengalokasikan untuk bisnis memerlukan bagian dari volume yang tidak tersedia bagi pengguna.

OP = ( — ) /

Semakin besar area yang dialokasikan, semakin banyak kebebasan yang dimiliki controller dan semakin cepat algoritmanya bekerja. Misalnya, sebelumnya, di bawah OP, perbedaan antara gigabyte "nyata" dan "pemasaran" dibedakan, yaitu antara 10 ⁹ = 1 000 000 000 byte dan 2 ³⁰ = 1 073 741 824 byte dan sama dengan 7,37% dari total volume drive. Ada sejumlah trik lain untuk mengalokasikan ruang kantor. Misalnya, pengontrol modern memungkinkan Anda untuk secara dinamis menggunakan seluruh volume bebas saat ini di bawah OP.

Perkiraan ketergantungan WAF pada ukuran OP:



Mengurangi WAF dan algoritma data statis dan dinamis Memisahkan. Pengontrol menghitung data mana yang sering ditimpa dan yang sebagian besar dibaca, atau tidak diubah sama sekali, dan mengelompokkan blok data pada disk yang sesuai.

Alat lain untuk mengurangi WAF di QLC-drive termasuk teknik perekaman berurutan (sangat kasar ini dapat dibandingkan dengan defragmentasi HDD biasa). Algoritma menentukan blok yang mungkin milik satu file besar dan tidak memerlukan pemrosesan oleh pengumpul sampah. Jika sistem operasi memberi perintah untuk menghapus atau memodifikasi file ini, blok-bloknya akan dihapus atau ditimpa secara keseluruhan tanpa dimasukkan dalam siklus WA, yang meningkatkan kecepatan dan mengurangi sel-sel memori. Akhirnya, kompresi dan deduplikasi data pra-tulis berkontribusi pada perjuangan melawan WA.

Seperti yang sudah Anda pahami, keandalan dan sumber daya QLC-drive tidak hanya bergantung pada chip memori yang digunakan, tetapi juga pada kinerja pengontrol, dan yang paling penting, pada kemajuan semua jenis algoritma yang tertanam dalam pengontrol. Banyak perusahaan, bahkan yang besar, membeli pengontrol dari perusahaan lain yang berspesialisasi dalam pembebasan mereka. Perusahaan-perusahaan Cina kecil menggunakan pengontrol yang murah dan sederhana dari generasi yang lalu, dipandu bukan oleh kualitas dan kebaruan algoritma, tetapi oleh harga. Perusahaan besar tidak menghemat perangkat keras untuk SSD mereka dan memilih pengontrol yang memberikan drive umur panjang dan operasi lebih cepat. Para pemimpin di antara produsen pengontrol untuk SSD terus berubah. Namun terlepas dari pengontrol yang kompleks, algoritma firmware juga memainkan peran besar, yang dikembangkan oleh pabrikan besar secara independen, tidak mempercayai hal penting ini kepada perusahaan pihak ketiga.

Kesimpulan

Keuntungan utama QLC dibandingkan drive pada TLC- dan MLC-chip adalah bahwa ia berhasil menempatkan lebih banyak memori ke dalam volume fisik yang sama. Jadi QLC tidak akan menyingkirkan teknologi sebelumnya dari pasar, apalagi pesaing untuk HDD.

Perbedaan antara QLC dan TLC dalam kecepatan akan terlihat ketika memulai program berat dan dengan pertukaran data intensif. Tetapi pengguna biasa mungkin tidak memperhatikan hal ini, karena pada komputer tingkat yang direkomendasikan QLC-drive, program menunggu lebih lama untuk tindakan pengguna daripada bekerja dengan data.

Kita dapat dengan aman mengatakan bahwa ceruk drive murah untuk komputer berkinerja rendah, ketika tidak masuk akal untuk membayar lebih untuk peningkatan keandalan atau kecepatan tulis dan baca maksimum, telah berhasil ditempati. Di komputer seperti itu, QLC SSD mungkin merupakan satu-satunya drive tempat sistem dan program yang diperlukan akan diinstal, serta data pengguna. Tetapi di perusahaan - revolusi tidak terjadi, di sini, seperti sebelumnya, mereka masih akan lebih suka TLC yang lebih andal dan HDD yang lambat namun bersahaja.

Namun, teknologi tidak berhenti, tahun ini produsen berjanji untuk memulai transisi ke teknologi proses 7 nm, dan di masa depan, pada tahun 2021 dan kemudian, teknologi proses 5 dan 3 nm akan datang. Algoritma pengontrol sedang ditingkatkan, beberapa perusahaan menjanjikan drive SSD pintar yang akan beberapa kali lebih cepat, dengan beberapa kasus penggunaan tertentu, pengembangan teknologi 3D NAND direncanakan.

Jadi, tunggu beberapa tahun dan lihat apa lagi yang bisa ditawarkan pabrikan kepada kami.

Untuk informasi lebih lanjut tentang produk Kingston, kunjungi situs web resmi perusahaan .