As unidades SSD há muito tempo saíram da categoria de exóticas caras e não confiáveis e se tornaram um componente familiar de computadores de todos os níveis, desde "máquinas de escrever" de escritório de orçamento a servidores poderosos.
Neste artigo, queremos falar sobre um novo estágio na evolução dos SSDs - o próximo aumento no nível de gravação de dados no NAND: cerca de células de quatro níveis com 4 bits
cada , ou
QLC (Quad-Level Cell). Os dispositivos de armazenamento fabricados com essa tecnologia têm
uma densidade de gravação mais alta, isso simplifica o aumento de volume e o custo é menor que o dos SSDs com células MLC e TLC “tradicionais”.
Como esperado, no processo de desenvolvimento, foi necessário resolver muitos problemas associados à transição para uma nova tecnologia. Empresas gigantes conseguem lidar com elas com sucesso, e as pequenas empresas chinesas ainda estão atrasadas, suas unidades são menos tecnológicas, mas mais baratas.
Como isso aconteceu, se um novo “assassino de HDD” apareceu e se era necessário correr para as lojas, alterando todos os HDDs e SSDs das gerações anteriores para novos - contaremos a seguir.
No processo de evolução dos dispositivos de armazenamento, a maneira de armazenar informações mudou, o processo de fabricação ficou cada vez mais delicado e a densidade de gravação em uma única célula e em um chip aumentou. Os controladores aprimoraram seus algoritmos, a velocidade de gravação se aproximou da velocidade de leitura e começaram a crescer rapidamente. Hoje, a uniformidade de distribuição de chamadas para células de memória NAND atingiu um nível ótimo, a confiabilidade do armazenamento de informações aumentou muitas vezes e quase igualou a dos HDDs tradicionais. No processo de rápido desenvolvimento da tecnologia, os SSDs começaram a ser emitidos em uma variedade de fatores de forma.
Agora, no mercado, há uma grande variedade de unidades de diversas empresas, tanto do primeiro escalão das marcas A quanto de empresas chinesas que tentaram ter SSDs suficientes para todos
O que a tecnologia QLC nos oferece?
O número de bits gravados em uma única célula NAND é determinado pelo número de níveis de carga no transistor de porta flutuante. Quanto mais existem, mais bits um único transistor pode armazenar. Essa é a
principal diferença entre a tecnologia QLC e o TLC "anterior" - o número de bits em uma célula aumentou de três para quatro .
Com um aumento no número de níveis de carga, as características do inversor mudam bastante: a velocidade de acesso diminui, a confiabilidade do armazenamento de informações diminui, mas a capacidade aumenta e a relação preço / volume se torna mais atraente para os clientes. Consequentemente, os chips construídos com a tecnologia QLC são mais baratos que o TLC da geração anterior, que armazena três bits em uma célula. Ao mesmo tempo, os QLCs são menos confiáveis, porque a probabilidade de falha de uma célula aumenta significativamente a cada novo nível.
Além das complexidades de uma única célula, outras surgem. Devido ao fato de os chips de memória serem fabricados usando a tecnologia 3D NAND, eles são matrizes tridimensionais de células densamente empacotadas uma em cima da outra, e as células nos "andares" vizinhos se influenciam mutuamente, prejudicando a vida de seus vizinhos. Além disso, os chips modernos contêm mais camadas do que os produtos das gerações anteriores. Por exemplo, uma das tecnologias para aumentar a densidade da memória implica um aumento no número de camadas no cristal de 48 para 64. No âmbito de outra tecnologia, dois cristais de 48 camadas são "soldados", elevando o número total para 96, o que impõe requisitos muito altos ao alinhamento de limites neste " sanduíche ”, há mais pontos de falha e a parcela do casamento está aumentando. Apesar da complexidade do processo, essa tecnologia acaba sendo mais lucrativa do que tentar cultivar camadas em um cristal, porque a rejeição aumenta de maneira não linear com um aumento no número de camadas, e um baixo rendimento de chips adequados custaria muito. Para ser justo, deve-se notar que apenas as empresas de primeira linha podem pagar tais desenvolvimentos. Alguns fabricantes de chips chineses não mudaram para cristais de 64 camadas, e até agora apenas gigantes eletrônicos como Intel e Micron têm a tecnologia de "colar" dois cristais de 48 camadas.
3D NANDOutra novidade usada em drives de uma nova geração de marcas A é a transferência de controle e fornecimento de cintas para uma matriz de células. Devido a isso, a área de cristais diminuiu e tornou-se possível colocar quatro bancos de memória onde anteriormente apenas dois estavam localizados. E isso, por sua vez, tornou possível paralelizar consultas e aumentar a velocidade de trabalho com memória. Além disso, a menor área dos cristais permitiu aumentar a capacidade de armazenamento.
O aumento da densidade celular também ajuda a combater a degradação mais rápida da memória. Lidamos com essa tarefa "de frente", com a ajuda de redundância ainda maior da matriz de células.
Os protótipos dos chips QLC foram mostrados no verão passado, e as primeiras promessas de lançamento de SSDs usando nova tecnologia foram feitas no início deste ano. No verão, quase todas as empresas produtoras de discos informaram que estavam prontas para a produção em massa e expressaram os nomes dos novos modelos, seus preços e especificações. Agora você pode comprar SSDs com chips QLC. A maioria dos modelos está disponível no formato M.2 e 2.5 ", com capacidades de 512 gigabytes, 1 e 2 terabytes.
Posicionamento de armazenamento QLC
Para começar, é justo admitir que as unidades criadas usando a nova tecnologia QLC são categoricamente inadequadas para tarefas sérias / críticas. E a razão para isso é uma série de dificuldades técnicas que engenheiros de grandes corporações - inventores e "seguidores" chineses precisam resolver.
Por exemplo, no site da Intel, novos SSDs são oferecidos apenas no segmento intermediário para computadores domésticos. Especialmente justificado é seu uso em netbooks de baixo desempenho, cujas tarefas não incluem jogos ou trabalho com bancos de dados, e o custo, pelo contrário, é muito importante. Tais "máquinas de escrever" estão se tornando cada vez mais procuradas. Para trabalhar no segmento corporativo, apenas unidades com chips MLC e TLC são oferecidas.
Se compararmos as características dos SSDs de marca (os chineses baratos não fazem sentido, os controladores baratos eliminam todas as características), o preço médio dos drives QLC é cerca de 20 a 30% menor que o MLC, com o mesmo fator de forma e volume.
Velocidade de acesso . Para um modelo com chips QLC, é: para leitura de até 1500 Mb / s, para gravação de até 1000 Mb / s. Para o modelo em chips TLC - 3210 Mb / se 1625 Mb / s, respectivamente. A velocidade de gravação da unidade QLC é uma vez e meia mais baixa e a velocidade de leitura é duas. A diferença é significativa, mas para navegar na Internet e editar textos - mais do que suficiente.
TBW (total de bytes gravados) . Um parâmetro crítico que caracteriza o recurso SSD. Ele fala sobre o número máximo de terabytes que podem ser gravados na unidade. Quanto maior o TBW, mais tenaz é a unidade e mais tempo ela pode funcionar sem falhas. Para todos os modelos da série 760p, o recurso é 288 TBW e para 660p - apenas 100 TBW. Quase três vezes a diferença.
DWPD (gravações de unidade por dia) . Este indicador de confiabilidade indica quantas vezes por dia você pode substituir a unidade inteira e é calculado pela fórmula:
DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5onde 0,512 é o volume da unidade em terabytes;
365 - o número de dias em um ano;
5 - o número de anos de garantia.
O DWPD é mais objetivo, porque o cálculo leva em consideração o tempo durante o qual o fabricante concorda em resolver problemas com a unidade gratuitamente. DWPD é 0,1 para o modelo QLC e 0,32 para os modelos TLC. Em outras palavras, neste exemplo, todos os dias o QLC pode sobrescrever completamente 50 GB - este é seu modo normal de operação. Considerando que, pelo mesmo preço, a capacidade das unidades QLC é maior que a MLC, é improvável que o usuário médio de uma “máquina de escrever com Internet” consiga desenvolver esse recurso.
Esses dois dispositivos são um exemplo vívido de como os engenheiros precisam resolver muitas dificuldades técnicas, que pareciam mais brilhantes no QLC do que no TLC. Em particular, o QLC possui menor velocidade de acesso de gravação e leitura, menor recurso, maior coeficiente WAF (mais sobre isso abaixo). Vamos dar uma olhada nas principais dificuldades e métodos para resolvê-las.
Velocidade de acesso
Vamos começar com um dos recursos mais visíveis do QLC SSD para o usuário -
menor velocidade de gravação quando o cache da unidade está cheio . Como a velocidade de acesso do QLC já é relativamente baixa, os fabricantes estão tentando aumentá-lo com o cache. O SSD usa sua própria matriz de células de disco para isso, que são transferidas para um modo de operação de bit único - SLC.
Existem vários algoritmos de armazenamento em cache. Muitas vezes, uma pequena parte da capacidade da própria unidade é alocada para o cache - em média, de 2 a 16 GB, em alguns modelos, pode haver várias dezenas de gigabytes. A desvantagem desse método é que, se houver uma troca intensa de dados durante a operação do computador, uma pequena quantidade de cache poderá ser preenchida rapidamente e a velocidade de leitura / gravação diminuirá acentuadamente.
Mais empresas de tecnologia usam controladores avançados que podem transferir dinamicamente parte das células para o modo rápido SLC; nesse caso, o tamanho do cache depende do volume total da unidade e pode chegar a 10%. Nos SSDs modernos, os dois métodos são usados: uma quantidade relativamente pequena de cache estático é complementada pelo volume alocado dinamicamente, que é muitas vezes maior. Quanto mais espaço livre, maior o tamanho do cache e mais difícil é esgotar seu tamanho. É lógico que uma unidade maior tenha um cache maior, o que significa que o cache dinâmico nela funcionará com mais eficiência.
Uma clara dependência do tamanho do cache do SLC no volume da unidade e espaço livre nele.Erros de leitura
A crescente complexidade da arquitetura QLC em comparação com o TLC levou a um aumento no número de erros de leitura de dados. Para corrigi-los, foi necessário introduzir o uso forçado de
códigos ECC (código de correção de erros) . Com a ajuda deles, o controlador corrige independentemente quase todos os erros de leitura de dados. E o desenvolvimento de algoritmos de correção eficazes é uma das tarefas mais difíceis na criação de unidades QLC, pois é necessário não apenas garantir alta eficiência de correção (expressa no número de bits corrigidos por 1 Kb de dados), mas também usar o mínimo de células de memória possível para economizar seus recursos . Para fazer isso, os fabricantes introduzem controladores mais produtivos, mas o mais importante é que usam poderosos dispositivos científicos e estatísticos para criar e aprimorar algoritmos.
Recurso
Os recursos da arquitetura QLC não apenas reduzem a confiabilidade, mas também levam ao fenômeno da
"amplificação de gravação" (Write amplification, WA) . Embora seja mais correto dizer "multiplicação de registro", no entanto, a opção de
"amplificação" é muito mais comum em Runet.
O que é WA? Em um SSD, fisicamente com células, há muito mais operações de leitura / gravação do que o necessário para a quantidade de dados recebidos diretamente do sistema operacional. Diferentemente dos HDDs tradicionais, que possuem um "quantum" muito pequeno de dados regraváveis, os dados no SSD são armazenados em "páginas" bastante grandes, geralmente com 4 KB cada. Há também o conceito de "bloco" - o número mínimo de páginas que podem ser reescritas. Normalmente, um bloco contém de 128 a 512 páginas.
Por exemplo, um ciclo de reescrita em um SSD consiste em várias operações:
- mova as páginas do bloco apagado para um local de armazenamento temporário,
- limpar o espaço ocupado pelo bloco,
- reescreva o bloco temporário adicionando novas páginas,
- escreva o bloco atualizado no local antigo,
- limpe o local usado para armazenamento temporário.
Como você pode ver, esta operação lê e apaga repetidamente quantidades relativamente grandes de dados em várias áreas diferentes da unidade, mesmo que o sistema operacional deseje alterar apenas alguns bytes. Isso aumenta seriamente o desgaste das células. Além disso, as operações "extras" de leitura / gravação reduzem significativamente a taxa de transferência de memória flash.
O grau de "amplificação de gravação" é expresso pelo WAF (fator de amplificação de gravação): a razão entre a quantidade
realmente regravável de dados e a quantidade que
precisa ser reescrita. Idealmente, quando a compactação não é usada, o WAF é 1. Os valores reais dependem muito de vários fatores, por exemplo, no tamanho dos blocos regraváveis e nos algoritmos usados nos controladores.
E como as células QLC são muito mais sensíveis ao número de ciclos de reescrita, o tamanho do WAF se tornou muito mais importante do que para o TLC e o MLC.
Quais outros fatores afetam negativamente o WAF em unidades QLC?
- O algoritmo de coleta de lixo , que procura blocos desigualmente preenchidos que contêm simultaneamente páginas vazias e preenchidas, substituindo-os para que os blocos contenham apenas páginas vazias ou preenchidas, o que reduz ainda mais o número de operações que levam ao WA.
- Nivelamento de desgaste . Os blocos que o sistema acessa frequentemente são movidos regularmente para as células, em vez de blocos com menor demanda. Isso é para garantir que todas as células de memória na unidade se desgastem uniformemente. Mas, como resultado, o recurso total da unidade é reduzido gradualmente, mesmo se você o usar como armazenamento de arquivo morto.
Aqui está um exemplo de "aprimoramento de gravação" devido aos mecanismos de nivelamento de desgaste e coleta de lixo:
- O valor WAF também é afetado pela operação do mecanismo de correção de erros (ECC). Como já mencionado, é possível reduzir sua contribuição para a "multiplicação de registros", melhorando os algoritmos, incluindo o LDPC .
- Com espaço livre suficiente no SSD, alguns controladores podem colocar algumas das células NAND em modo com menos níveis de gravação: do QLC ao SLC. Isso acelera bastante a operação do inversor e aumenta sua confiabilidade. Mas, com uma diminuição no espaço livre, as células serão substituídas novamente no modo com o número máximo de níveis. Quanto mais espaço livre no SSD, mais rápido e eficiente ele funcionará, desde que seu controlador seja bastante avançado e ofereça suporte a essa função. Se você mantiver parte das células mais ativamente usadas no modo SLC, isso aumentará o WAF geral, mas reduzirá o desgaste.
Com o crescimento do WAF, o QLC é combatido com vários métodos.
Por exemplo, usando o excesso de provisionamento (OP) - a alocação para negócios precisa de uma parte do volume que não está disponível para o usuário.
OP = ( — ) /Quanto maior a área alocada, mais liberdade o controlador tem e mais rápido o trabalho de seus algoritmos. Por exemplo, anteriormente, no OP, distinguia-se a diferença entre os gigabytes "reais" e "de marketing", ou seja, entre 10
9 = 1 000 000 000 bytes e 2
30 = 1 073 741 824 bytes e isso equivale a 7,37% do volume total da unidade. Existem vários outros truques para alocar espaço no escritório. Por exemplo, os controladores modernos permitem que você use dinamicamente todo o volume livre atual da unidade em OP.
Uma dependência aproximada do WAF no tamanho do OP:
Reduz o WAF e o algoritmo de dados estáticos e dinâmicos de separação. O controlador calcula quais dados geralmente são substituídos e quais são principalmente lidos ou não são alterados e agrupa os blocos de dados no disco de acordo.
Outras ferramentas para reduzir o WAF em unidades QLC incluem técnicas de gravação seqüencial (muito aproximadamente isso pode ser comparado com a desfragmentação usual do HDD). O algoritmo determina os blocos que podem pertencer a um arquivo grande e não requerem processamento pelo coletor de lixo. Se o sistema operacional der um comando para excluir ou modificar esse arquivo, seus blocos serão apagados ou substituídos como um todo sem serem incluídos no ciclo WA, o que aumenta a velocidade e gasta menos as células de memória. Por fim, a compactação e desduplicação de dados de pré-gravação contribuem para a luta contra a WA.
Como você já entendeu, a confiabilidade e os recursos das unidades QLC dependem não apenas dos chips de memória usados, mas também do desempenho do controlador e, mais importante, do avanço de todos os tipos de algoritmos incorporados no controlador. Muitas empresas, mesmo as grandes, compram controladores de outras empresas especializadas em seu lançamento. Pequenas empresas chinesas usam controladores simples e baratos das gerações passadas, guiados não pela qualidade e novidade dos algoritmos, mas pelo preço. As grandes empresas não economizam em hardware para seus SSDs e escolhem controladores que proporcionam vida longa à unidade e operação mais rápida. Os líderes entre os fabricantes de controladores para SSD estão mudando constantemente. Mas, além dos controladores complexos, os algoritmos de firmware também desempenham um papel enorme, desenvolvido por grandes fabricantes de forma independente, não confiando esse importante assunto a empresas de terceiros.
Conclusões
A principal vantagem do QLC sobre as unidades nos chips TLC e MLC é que ele conseguiu colocar ainda mais memória no mesmo volume físico. Portanto, a QLC não excluirá as tecnologias anteriores do mercado, muito menos concorrentes para os HDDs.
A diferença entre QLC e TLC em velocidade será notável ao iniciar programas pesados e com intensa troca de dados. Mas um usuário comum pode não perceber isso, porque em computadores do nível para o qual as unidades QLC são recomendadas, o programa espera mais por ações do usuário do que por dados.
Podemos dizer com segurança que o nicho de unidades baratas para computadores de baixo desempenho, quando não faz sentido pagar a mais por maior confiabilidade ou velocidades máximas de gravação e leitura, foi ocupado com sucesso. Nesses computadores, o QLC SSD pode ser a única unidade na qual o sistema e os programas necessários serão instalados, além dos dados do usuário. Mas na empresa - a revolução não aconteceu; aqui, como antes, eles ainda preferem o TLC mais confiável e o HDD lento mas despretensioso.
No entanto, a tecnologia não pára, já neste ano, os fabricantes prometem começar a transição para um processo de fabricação de 7 nm e, no futuro, em 2021 e posteriormente, processos de fabricação de 5 e 3 nm estão chegando. Os algoritmos dos controladores estão sendo aprimorados, algumas empresas prometem drives SSD inteligentes que serão várias vezes mais rápidos, com alguns casos de uso específicos, o desenvolvimento de tecnologias 3D NAND está planejado.
Portanto, espere alguns anos e veja o que mais os fabricantes podem nos oferecer.
Para mais informações sobre os produtos Kingston, visite o site oficial da empresa .