3d qlc что это

QLC, TLC, MLC и SLC

В современных SSD наиболее распространены четыре типа чипов памяти NAND: QLC, TLC, MLC и SLC.

QLC (Quad-Level Cell) — ячейка памяти, способная хранить 4 бита информации. По состоянию на февраль 2020 года NAND-память типа QLC является самой доступной по стоимости хранения 1 ГБ данных, приближаясь по данному параметру к традиционным жестким дискам. При этом по быстродействию и ресурсу на запись QLC-память лишь немного уступает не только SLC- и MLC-, но и TCL-памяти.

TLC (Triple-Level Cell) – ячейка памяти, способная хранить 3 бита информации. Обладает большей плотностью, но меньшей выносливостью по сравнению с SLC и MLC. TLC также отстает от SLC и MLC по скорости чтения и записи и ресурсу в циклах Program/Erase. До настоящего момента память типа TLC NAND использовалась в основном в flash-накопителях (флешках), однако совершенствование технологий производства сделало возможным использование памяти TLC и в стандартных SSD.

Описанные выше ячейки памяти относятся к планарному, то есть 2D-типу. Их недостатком является необходимость перехода к более тонким техпроцессам для увеличения плотности записи данных в каждом отдельном чипе. Из-за ряда физических ограничений делать это до бесконечности не получится. Поэтому были разработаны 3D-ячейки памяти. Такая ячейка представляет собой цилиндр:

Таким образом, появляется возможность разместить несколько ячеек памяти на одном слое микросхемы. Такие ячейки называются 3D V-NAND, 3D TLC и 3D QLC. Емкость и надежность 3D-памяти сравнимы с емкостью и надежностью памяти TLC.

MLC (Multi-Level Cell) – ячейка памяти, способная хранить несколько бит информации. MLC дешевле SLC, однако обладает меньшей выносливостью и меньшим ресурсом циклов Program/Erase. MLC — хороший выбор для коммерческих и рабочих платформ, т.к. характеризуется хорошим соотношение цена/скорость работы.

eMLC (Enterprise Multi-Level Cell) – ячейка, аналогичная по структуре обычной MLC, но с увеличенным ресурсом по циклам Program/Erase. По надежности eMLC находится между SLC и MLC, а стоит ненамного дороже MLC. Типичное применение eMLC — рабочие станции и серверы среднего класса.

SLC (Single-Level Cells) – ячейка, способная хранить 1 бит информации. Память SLC имеет высокую производительность, низкое энергопотребление, наибольшую скорость записи и количество циклов Program/Erase. Память типа SLC обычно используется в серверах высокого уровня, поскольку стоимость SSD на основе SLC велика.

3D NAND

Количество состояний ячейки в зависимости от типа памяти

Физически все четыре типа ячеек NAND-памяти состоят из одинаковых транзисторов. Единственным отличием является количество хранимого ячейкой памяти заряда. Все четыре типа ячеек работают одинаково: при появлении напряжения ячейка переходит из состояния «выключено» в состояние «включено». SLC использует два отдельных значения напряжения для представления одного бита информации на ячейку и двух логических уровней (0 и 1). MLC использует четыре отдельных значения напряжения для представления четырех логических состояний (00, 01, 10, 11) или двух битов. TLC использует восемь отдельных значений напряжения для представления восьми логических состояний (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111) или трех битов информации. QLC использует шестнадцать отдельных значений напряжения для представления шестнадцати логических состояний (от 0000 до 1111).

Поскольку в SLC используется только два значения напряжения, эти значения могут сильно отличаться друг от друга, уменьшая потенциальную возможность некорректно интерпретировать текущее состояние ячейки и позволяя использовать стандартные условия коррекции ошибки NAND. Вероятность ошибок чтения увеличивается при использовании TLC и QLC NAND, поэтому данные типы памяти требуют большего объема ECC (Error Correction Code – код коррекции ошибок) при исчерпании ресурса NAND, поскольку в TLC и QLC приходится корректировать сразу три или четыре бита информации соответственно.

Многоуровневые SSD накопители: что такое «SLC», «MLC», «TLC», «QLC» и «PLC»?

В зависимости от задействованной технологии, микросхемы памяти «NAND» различаются плотностью хранения данных. Читайте о твердотельных накопителях с разными вариантами используемых видов памяти. Какие у них характеристики и чем они отличаются.

• Введение
• Несколько слов о ячейках
• Запоминающее устройство «SSD» с одноуровневыми ячейками («SLC»)
• Твердотельный накопитель «SSD» с многоуровневыми ячейками («MLC»)
• «SSD-накопители» с трехуровневыми ячейками («TLC»)
• Показатель суммарного объема записи данных («TBW»)
• Накопители «SSD» с четырьмя уровнями ячеек («QLC»)
• Твердотельные накопители «Penta-Level Cell» («PLC»)
• Другие понятия «SSD»
• Заключение
• Вопросы и ответы
• Комментарии

Введение

Твердотельные накопители значительно улучшают общую производительность персональных компьютеров, позволяя существенно сократить время загрузки операционной системы, и повышают общее быстродействие, превращая, укомплектованные данным типом хранилища, компьютеры в высокоскоростные. Но когда пользователи непосредственно выбирают для своего устройства конкретную модель накопителя «SSD», то часто приходится сталкиваться с различными специализированными терминами, такими как «SLC», «SATA III», «NVMe», «M.2» и т.д. Не многие пользователи знают определение данных терминов и далее в нашем руководстве мы подробнее остановимся на некоторых основных понятиях.

Перейти к просмотру

Несколько слов о ячейках

Современные модели твердотельных накопителей «SSD» используют для хранения информации энергонезависимую флэш-память формата «NAND», в свою очередь полностью состоящую из ячеек памяти. Это базовые блоки, на которые записываются любые цифровые данные в «SSD». Каждая ячейка памяти способна принимать определенное количество битов, которые зарегистрированы на устройстве хранения как «1» или «0».

В зависимости от задействованной технологии, микросхемы памяти «NAND» различаются плотностью хранения данных, и далее мы рассмотрим твердотельные накопители с разными вариантами используемых видов памяти, выделенными в отдельную характеристику.

Перейти к просмотру

Запоминающее устройство «SSD» с одноуровневыми ячейками («SLC»)

Основным типом твердотельного накопителя является «SSD» с микросхемой NAND, внутренняя организация которой реализована посредством использования одноуровневых ячеек («Single-Level Cell», сокращенно «SLC»). Технология «SLC» обеспечивает плотность хранения данных один бит на ячейку памяти. Это немного, но у данной организации есть отдельные неоспоримые преимущества. Во-первых, твердотельные накопители, выполненные по технологии «SLC» – это самый быстрый тип запоминающего устройства «SSD» из всех доступных вариантов. Они также более долговечны и менее подвержены развитию ошибок, поэтому считаются наиболее надежными среди всех видов твердотельных дисков.

Твердотельные накопители «SSD» на основе «SLC» в первую очередь популярны в корпоративных средах, где потеря данных неприемлема и может привести к значительным тратам, а надежность запоминающих является ключевым фактором. Технология «SLC» существенно повышает конечную стоимость накопителя, особенно в пересчете цены за единицу дискового пространства, и носители данных на ее основе обычно не доступны для обычных потребителей. Для сравнения, на Amazon доступен для приобретения твердотельный накопитель «SSD», выполненный по технологии «SLC» с емкостью «128 ГБ», и его конечная цена равна стоимости запоминающего устройства «SSD» с объемом памяти «1 ТБ», изготовленного по технологии «TLC NAND».

Поэтому, если пользователям предлагается потребительский твердотельный накопитель «SSD» с технологией плотности хранения данных «SLC», то, вероятно, он имеет другой тип памяти «NAND» и просто дополнен кэшем «SLC» для повышения производительности.

Перейти к просмотру

Твердотельный накопитель «SSD» с многоуровневыми ячейками («MLC»)

Конкретное понятие «многоуровневые», применительно к твердотельным накопителям, выполненным на основе «NAND – памяти» с многоуровневой ячейкой («Multi-Level Cell», сокращенно «MLC»), не особо точно отображает смысл определения и создает ложное впечатление о доступной плотности данных. Как можно было бы сделать вывод из названия, организация пространства ячейки должна поддерживать много уровней, однако она ограничивается только двумя битами на ячейку, что конечно превышает количество битов ячейки «SLC» в два раза, но не является слишком большим значением. Схема озаглавливания примененной технологии плотности данных не предполагала ориентацию на будущее развитие, поэтому и был выбран данный формат названия.

Скорость взаимодействия с данными у накопителей «MLC» несколько ниже, по сравнению с «SLC», поскольку для записи двух битов в ячейку требуется больше времени, чем для записи одного. Увеличение количества битов в одной ячейке также снижает долговечность и надежность твердотельных накопителей «MLS», потому что данные записываются на флэш-память «NAND» чаще, чем в предыдущем одноуровневом варианте «SLC».

Тем не менее, «MLC» – это прочный и добротный образец твердотельного накопителя. Его емкость не настолько высока, как у других типов твердотельных накопителей, но уровень надежности и долговечности способен удовлетворить самые высокие требования пользователей, и на рынке твердотельных накопителей уже можно найти достойный вариант запоминающего устройства «MLS» емкостью в «1 ТБ» по приемлемой цене, полностью соответствующей его возможностям.

Перейти к просмотру

«SSD-накопители» с трехуровневыми ячейками («TLC»)

Как напрямую следует из названия «Triple-Level Cell», твердотельный накопитель «SSD» формата исполнения «TLC» записывает три бита в каждую ячейку. На момент написания данного руководства «TLC» является наиболее распространенным типом накопителя «SSD».

Накопители с данной технологией плотности данных предлагают пользователям хранилища «SSD» с гораздо большей емкостью, чем диски «SLC» и «MLC», но вынуждены, по сравнению с ними, жертвовать относительной скоростью, надежностью и долговечностью. Это не значит, что диски «TLC» плохие и пользователям не стоит их рассматривать для применения на своих устройствах. На самом деле, в настоящий момент они, вероятно, являются самым лучшим предложением, сочетающим высокие показатели скорости обработки данных, времени загрузки системы и реакции на системные и пользовательские команды, в сравнении с остальными вариантами дисков, по достаточно низкой цене.

Не позволяйте понятию меньшей прочности заставить вас отказаться от использования твердотельного накопителя «TLS», ведь, обычно, он гарантированно и безошибочно работает в течение нескольких лет.

Перейти к просмотру

Показатель суммарного объема записи данных («TBW»)

Разработчики твердотельных накопителей стремятся не только сохранить и преумножить преимущество «SSD» в скорости, но и работают над увеличением продолжительности гарантированного срока службы накопителей. И с целью маркировки значения долговечности к характеристикам «SSD» было добавлено понятие «TBW» («Total Bytes Written»), которое принято исчислять в терабайтах («ТБ»). Числовое значение обычно означает количество терабайт, которое можно гарантированно записать на диск до того момента, как он окончательно выйдет из строя.

Например, модель твердотельного накопителя «Samsung 860 Evo» емкостью «500 ГБ» (очень популярный «SSD» несколько лет назад) имеет рейтинг «TBW 600», а модель объемом в «1 ТБ» – «1200 TBW». Это невероятно огромное количество данных, поэтому такой диск непременно прослужит вам долгие годы.

«TBW» также дополнительно является оценкой «уровня безопасности», и твердотельные накопители «SSD», по своим технологическим возможностям, обычно превышают установленные предельные значения. Это означает, что диск, как минимум, указанное количество данных сможет гарантированно записать. Однако, чтобы обезопасить себя от непредвиденного выхода из строя накопителя, сделайте его резервную копию, чтобы минимизировать потерю данных, особенно на старых дисках.

Перейти к просмотру

Накопители «SSD» с четырьмя уровнями ячеек («QLC»)

Твердотельные запоминающие устройства с технологией плотности данных, подразумевающей использование четырехуровневых ячеек («Quad-level Cell», сокращенно «QLC»), могут записывать четыре бита в каждую ячейку.

«QLC NAND» может упаковать намного больше данных, чем другие типы твердотельных накопителей, но повышение общего количества, доступной для записи, информации напрямую оказывает сильное влияние на диск и уменьшает общую производительность запоминающего устройства «QLC». Это особенно заметно, когда исчерпан кэш диска, например, во время передачи больших файлов (сорок гигабайт и выше). Производители дисков с технологией «QLC» пытаются оптимизировать работу накопителей, и, с большой долей вероятности, можно утверждать, что в краткосрочной перспективе данной проблемы удастся избежать.

Долговечность твердотельных накопителей «QLC» также является проблемой. Однако с другой стороны, бюджетный накопитель «Crucial P1 QLC NVMe» имеет показатель суммарного объема записи данных на уровне «100 TBW» для модели с емкостью диска «500 ГБ» и «200 TBW» для объема диска в «1 ТБ», что, хотя и меньше установленных значений дисков «TLC», но все же вполне достаточно для ежедневного домашнего использования.

Перейти к просмотру

Твердотельные накопители «Penta-Level Cell» («PLC»)

Запоминающие устройства твердотельного формата «SSD», выполненные по технологии «PLC», которые могут записывать пять бит на ячейку, для потребителей в данный момент еще не предлагаются, но процесс их представления уже в пути. Например, компания Toshiba уже упоминает приводы формата «PLC» в конце августа 2019 года, а корпорация Intel – в сентябре, что означает серьезность намерений в стремлении компаний предложить и завершить готовые разработки. Твердотельные накопители «PLC» должны быть в состоянии вместить гораздо больше данных и могут быть представлены значительными емкостями. Тем не менее, они также будут иметь схожие проблемы, что и диски «TLC» и «QLC», когда речь заходит об уровнях долговечности и производительности.

Нет необходимости сразу приобретать готовый «SSD» с технологией плотности хранения данных «PLC», а стоит некоторое время подождать и ознакомиться со специализированными отзывами и готовыми тестами. Кроме того, также необходимо обратить особое внимание на рейтинг «TBW», чтобы иметь представление о гарантированном сроке службы, указанном производителем, и ознакомиться с результатами работы диска в реальных условиях, получив подтверждение склонности к возникновению поломок (на основе все тех же тестов).

Например, привод «QLC», о котором мы упоминали в предыдущем разделе, имеет более низкий рейтинг «TBW», но он гарантированно позволяет записывать до пятидесяти четырех гигабайт информации в день в течение пяти лет. Никто из пользователей не пишет так много данных в домашних условиях, поэтому можно ожидать, что данный диск будет работать довольно длительное время, несмотря на более низкий рейтинг «TBW».

Перейти к просмотру

Другие понятия «SSD»

Ранее мы рассмотрели основные типы флэш-памяти «NAND», но пользователям встречаются и другие определения, и далее мы дополнительно опишем несколько терминов, которые могут вам помочь полнее понять характеристики «SSD»:

• «3D NAND»: в какой-то момент производители «NAND» попытались расположить ячейки памяти ближе друг к другу на плоской поверхности, чтобы уменьшить размер дисков и увеличить емкость. Такой подход работал до определенного момента, но флэш-память начинает терять свою надежность, когда ячейки расположены слишком близко друг к другу. Чтобы обойти данное ограничение, разработчики поместили ячейки памяти друг на друга, чтобы увеличить емкость. Такая архитектура обычно называется «3D NAND», а иногда и вертикальным «NAND».
• «Технология выравнивания износа»: ячейки памяти «SSD» начинают разрушаться сразу в момент их первичного использования и процесс продолжается безостановочно при каждой записи. Чтобы избежать неравномерного снижения ресурса отдельных ячеек и помочь накопителям гарантированно прослужить заявленный срок, производители применяют технологию износа, которая пытается записывать данные в ячейки памяти как можно более равномерно. Вместо того, чтобы постоянно записывать определенный блок в один раздел диска, данная технология распределяет данные равномерно, поэтому все ячейки имеют одинаковый или соизмеримый показатель износа.
• «Кэш»: каждый твердотельный накопитель «SSD» укомплектован кэшем, в котором данные кратковременно хранятся перед их непосредственной записью на диск. Данная специальная выделенная область быстрого доступа для временного хранения информации имеет решающее значение для повышения производительности «SSD». Кэш-память обычно состоит из ячеек «SLC» или «MLC NAND». Когда кэш заполнен, производительность имеет тенденцию к значительному снижению – это особенно верно для некоторых накопителей «TLC» и большинства дисков «QLC».
• «SATA III»: это наиболее распространенный интерфейс подключения жесткого диска «HDD» и твердотельного накопителя «SSD» в персональном компьютере. В этом контексте понятие «интерфейс» просто означает, каким образом происходит прямое соединение диска с материнской платой. «SATA III» имеет максимальную пропускную способность шестьсот мегабайт в секунду.
• «NVMe»: данный интерфейс соединяет запоминающее устройство «SSD» с материнской платой. «NVMe» позволяет развивать молниеносную скорость передачи данных. Показатели скорости современных потребительских накопителей с интерфейсом «NVMe» примерно в три раза выше, чем у «SATA III».
• «M.2»: это форм-фактор (физический размер, форма и дизайн) накопителей «NVMe». Их часто называют дисками «gumstick», потому что они крошечные и прямоугольные. Накопители монтируются в специальные слоты на большинстве современных материнских плат.

Перейти к просмотру

Заключение

Стремительный рост объемов разнообразных видов цифровых материалов и существенное увеличение трудоемкости, ежедневно исполняемых пользователями, процессов вынуждает постоянно усовершенствовать существующие персональные компьютерные устройства, и особое внимание уделять применению надежных, обладающих высокой скоростью взаимодействия с данными, и долговечных запоминающих устройств значительной емкости.

Производители современных хранилищ данных, благодаря внедрению продвинутых методик, предлагают пользователям новый вид твердотельных накопителей, выполненных на основе флэш-памяти «NAND». Доступные варианты различаются между собой технологиями, обеспечивающими плотность хранения данных, которые, в свою очередь, влекут за собой градацию твердотельных накопителей по количеству циклов чтения/записи цифровых материалов, предлагаемой емкости, гарантированном показателе суммарного объема записи данных и окончательной стоимости.

Ознакомившись с представленным руководством, пользователи смогут более осознанно подойти к вопросу комплектации своего персонального компьютера твердотельным накопителем «SSD» и выбрать наиболее лучший вариант, исходя из собственных возможностей и заявленных приоритетов.

Автор: Andrey Mareev, Технический писатель

В далеком 2005 году, я получил диплом по специальности «Прикладная математика» в Восточноукраинском национальном университете. А уже в 2006 году, я создал свой первый проект по восстановлению данных. С 2012 года, начал работать в компании «Hetman Software», отвечая за раскрутку сайта, продвижение программного обеспечения компании, и как специалист по работе с клиентами.

Редактор: Michael Miroshnichenko, Технический писатель

Мирошниченко Михаил – одни из ведущих программистов в Hetman Software. Опираясь на пятнадцатилетний опыт разработки программного обеспечения он делится своими знаниями с читателями нашего блога. По мимо программирования Михаил является экспертом в области восстановления данных, файловых систем, устройств хранения данных, RAID массивов.

• Обновлено:
• 14.10.2023 14:58

Выбираем SSD: обзор вариантов на рынке и советы экспертов (2022)

Конечно, SSD различаются не только типом подключения и форм-фактором. Внутри тоже имеются существенные отличия. Мы начнем с технологий флэш-памяти.

SLC, MLC, TLC и QLC — что это такое?

Если посмотреть спецификации нескольких SSD, то они будут опираться на те или иные технологии флэш-памяти. Чаще всего упоминаются SLC, MLC, TLC, QLC и 3D-NAND. Первые четыре аббревиатуры указывают, сколько битов записываются в ячейку памяти. В случае Single Level Cell (SLC) речь идет об одном бите, у ячеек Multi Level Cells (MLC) мы получаем два бита, Triple Level Cells (TLC) — три бита. Наконец, Quadruple Level Cells (QLC) — четыре бита на ячейку. Строго говоря, MLC описывает все технологии за исключением SLC, поэтому иногда встречаются такие обозначение, как 2-bit MLC или 3-bit MLC.

Как можно догадаться по названию, разные типы памяти позволяют записывать разное число бит в ячейку. Поэтому для хранения одного и того же объема данных требуется больше ячеек SLC, чем TLC или QLC. Что приводит к соответствующему увеличению цены.

Однако и недостатки памяти с высоким числом битом на ячейку очевидны. Следует помнить, что для фиксации значения ячейки используются электроны (заряд). В случае SLC все просто — заряд либо есть, либо нет, что дает 2 1 состояний. С ячейками MLC мы получаем уже градации заряда, 2 2 состояний. Соответственно, с ячейками TLC и QLC число состояний увеличивается до 2 3 и 2 4 . В последнем случае речь идет о 16 состояниях, причем контроллер должен более точно программировать ячейку и корректно считывать состояние. Поэтому и производительность снижается по сравнению с SLC. Кроме того, ячейки памяти не вечные, чем они будут интенсивнее использоваться, тем меньше будет срок службы.

Но производители продолжают оптимизировать контроллеры и чипы памяти, поэтому и расчетный срок службы накопителей увеличивается. Например, в случае WD Red SN700 NVMe SSD емкостью 4 Тбайт производитель указывает расчетную нагрузку записи TBW 5.100 Тбайт, что в 1.275 раз превышает емкость. На практике обычный пользователь ПК вряд ли достигнет подобного уровня, но производители SSD продолжают повышать уровень TBW.

3D-память

Производители флэш-памяти уже несколько лет развивают концепцию 3D NAND, которая позволяет увеличить надежность и производительность. В отличие от планарной флэш-памяти 2D, ячейки памяти формируют трехмерную структуру. А 2D-память осталась уделом бюджетных накопителей.

В случае 3D NAND слои памяти накладываются друг на друга как в «бутерброде». В результате 96 слоев памяти позволяют уместить в 96 раза больше данных, чем в случае TLC SSD на планарной 2D NAND.

Что такое SLC-кэш?

Ключевым компонентом high-end накопителей является система кэширования. И здесь следует различать два типа: кэш DRAM и кэш (псевдо) SLC. В случае кэша DRAM на SSD устанавливается соответствующий чип оперативной памяти помимо NAND, с которым работает контроллер накопителя. Как правило, емкость DRAM составляет один гигабайт на терабайт хранения данных, в этой памяти кэшируются таблицы привязки. Конечно, современная NAND становится все быстрее, задержки продолжают снижаться, но DRAM пока что лидирует по скорости. В результате контроллер получает таблицы из DRAM максимально быстро, чем в случае хранения их на NAND. Бюджетные SSD кэшем DRAM не оснащаются, что следует учитывать.

Современная флэш-память может работать с высокой пропускной способностью, в том числе и TLC NAND, но ее все равно недостаточно, чтобы достичь насыщения интерфейса PCIe. Поэтому SSD оснащаются так называемым кэшем SLC, емкость которого зависит от объема накопителя. Запись в SLC-кэш, как можно догадаться по названию, идет в режиме SLC, то есть по одному биту в каждую ячейку. Емкость при этом расходуется нерационально, зато производительность записи самая высокая. После заполнения доступной емкости SLC-кэша запись производится уже в стандартном режиме TLC/QLC, что снижает производительность. Кроме того, если емкость SSD почти полностью заполнена, то и места для SLC-кэша не остается.

Срок службы SSD: насколько важны TBW и MTBF?

Технология флэш-памяти сказывается на сроке службы SSD. И здесь довольно часто используется термин «TBW».

За ним скрывается общий объем записанных байт (Total bytes to be written). Если верить спецификациям, у WD Red SN700 NVMe SSD емкостью 4 Тбайт мы получаем значение TBW 5.200 Тбайт. Таким образом производитель гарантирует запись 5.200 Тбайт информации на накопитель на протяжении его жизненного цикла. Важно отметить, что речь идет о минимальном значении. То есть SSD не выйдет из строя после достижения данного порога, на практике он выдержит намного большую нагрузку. В нашем форуме читатели приводят различные сведения, которые доказывают надежность SSD выше заявленного производителем результата.

Для профессиональных SSD, таких как WD Red SN700 NVMe SSD, подобный показатель воспринимается само собой разумеющимся, но и потребительские SSD сегодня радуют высокой надежностью. Возьмем для примера сравнительно недорогой WD Blue SN570 NVMe SSD емкостью 1 Тбайт и спецификацией TBW 600 Тбайт. Если вы переносите на SSD каждый день 20 Гбайт информации, то накопителя гарантированно хватит на 80 лет. Если же объем записываемой информации увеличить до 400 Гбайт, то срок службы составит 5 лет. Так что даже для энтузиастов значение TBW не составит проблем. Конечно, все несколько иначе выглядит в серверных сценариях, поскольку здесь профили использования могут отличаться. Но и для подобных сценариев есть оптимизированные решения на основе SSD.

Кроме TBW производители часто указывают надежность SSD в MTBF. Здесь речь идет о часах, которые накопитель может проработать до вероятного выхода из строя (по результатам тестов производителя).

SSD на базе QLC — убийца жёстких дисков? На самом деле нет

SSD-накопители уже давно вышли из разряда дорогой и ненадежной экзотики и стали привычным компонентом компьютеров всех уровней, от бюджетных офисных «печатных машинок» до мощных серверов.

В этой статье мы хотим рассказать о новом этапе эволюции SSD — очередном повышении уровня записи данных в NAND: о четырехуровневых ячейках, хранящих по 4 бита, или QLC (Quad-Level Cell). Накопители, сделанные по этой технологии имеют большую плотность записи, это упрощает увеличение их объема, а стоимость оказывается меньше, чем у SSD с «традиционными» ячейками MLC и TLC.

Как и следовало ожидать, в процессе разработки потребовалось решить множество задач, связанных с переходом на новую технологию. Компании-гиганты успешно с ними справляются, а небольшие китайские фирмы ещё отстают, их накопители менее технологичны, но дешевле.

Как это происходило, появился ли новый «убийца HDD» и надо ли бежать в магазины, меняя все HDD и SSD прошлых поколений на новые — расскажем ниже.

В процессе эволюции накопителей менялся способ хранения информации, техпроцесс становился всё более тонким, увеличивалась плотность записи как в единичную ячейку, так и на чип. В контроллерах совершенствовались алгоритмы, скорость записи приближалась к скорости чтения, а затем они стали быстро расти. Сегодня равномерность распределения обращений к ячейкам памяти NAND достигла некоего оптимума, надежность хранения информации многократно выросла и почти сравнялась с этим показателем у традиционных HDD. В процессе стремительного развития технологий, SSD стали выпускаться в самых разных форм-факторах.

Сейчас на рынке представлен огромный выбор накопителей от самых разных компаний, как первого эшелона А-брендов, так и от китайских фирм, которые постарались, чтобы SSD хватило на всех

Что нам предлагает технология QLC?

Количество битов, записанных в одной ячейке NAND, определяется тем, сколько уровней заряда находится в транзисторе с плавающим затвором. Чем их больше, тем больше битов может хранить один транзистор. В этом и заключается главное отличие технологии QLC от «предыдущей» TLC — количество битов в одной ячейке выросло с трёх до четырёх.

С увеличением количества уровней заряда очень сильно меняются характеристики накопителя: падает скорость доступа, уменьшается надежность хранения информации, но при этом возрастает ёмкость, а соотношение цена/объем становится привлекательнее для покупателей. Соответственно, чипы, построенные по технологии QLC, дешевле, чем предыдущее поколение TLC, в которых хранится по три бита в одной ячейке. В то же время QLC менее надежны, потому что вероятность выхода ячейки из строя существенно увеличивается с каждым новым уровнем.

В дополнение к сложностям одной отдельно взятой ячейки, возникают другие. Вследствие того, что чипы памяти делаются по технологии 3D NAND, они представляют собой трехмерные массивы ячеек, плотно упакованных один над другим, и ячейки в соседних «этажах» взаимно влияют друг на друга, портя жизнь своим соседям. К тому же современные чипы содержат больше слоев, чем изделия предыдущих поколений. Например, одна из технологий повышения плотности памяти подразумевает увеличение количества слоёв в кристалле с 48 до 64. В рамках другой технологии производится «спайка» двух 48-слойных кристаллов, доводя общее количество до 96, что налагает очень высокие требования к совмещению границ в этом «бутерброде», становится больше точек отказа и растёт доля брака. Несмотря на сложность процесса, такая технология получается выгоднее, чем пытаться наращивать слои в одном кристалле, потому что отбраковка при увеличении числа слоев растет нелинейно, и невысокий выход пригодных чипов обошелся бы слишком дорого. Справедливости ради надо заметить, что только компании высшего эшелона могут позволить себе такие разработки. Некоторые китайские фирмы, производящие чипы, так и не перешли на 64-слойные кристаллы, а технологией «склеивания» двух 48-слойных кристаллов пока обладают только такие гиганты электроники, как Intel и Micron.

3D NAND

Еще одна новинка, используемая в накопителях нового поколения А-брендов — перенос управляющей и питающей обвязки под массив ячеек. Благодаря этому уменьшилась площадь кристаллов и стало возможно размещать по четыре банка памяти там, где раньше помещалось только два. А это, в свою очередь, позволило распараллелить запросы и увеличить скорость работы с памятью. Кроме того, меньшая площадь кристаллов позволила увеличить емкость накопителей.

Возросшая плотность ячеек помогает бороться и с более быстрой деградацией памяти. С этой задачей разобрались «в лоб», с помощью еще большей избыточности массива ячеек.

Прототипы QLC-чипов показали прошлым летом, а первые обещания о выпуске SSD по новой технологии прозвучали в начале этого года. Летом практически все фирмы производящие накопители, сообщили о том, что они уже готовы к массовому выпуску, озвучили названия новых моделей, их цены и характеристики. Сейчас уже можно приобрести SSD с QLC-чипами. Большинство моделей выпускается в форм-факторе M.2 и 2.5″, с емкостями 512 гигабайт, 1 и 2 терабайта.

Позиционирование QLC-накопителей

Для начала стоит честно признать, что накопители, созданные по новой технологии QLC, категорически не годятся для серьёзных/критических задач. И причиной тому целый ряд технических трудностей, которые приходится решать инженерам как крупных корпораций-изобретателей, так и китайских «последователей».

К примеру, на сайте Intel новые SSD предлагаются только в сегменте для домашних компьютеров среднего уровня. Особенно оправдано их применение в малопроизводительных нетбуках, в чьи задачи не входят игры или работа с базами данных, а стоимость, наоборот, очень важна. Подобные «печатные машинки» становятся всё более востребованы. Для работы в сегменте «энтерпрайз» предлагаются исключительно накопители с чипами MLC и TLC.

Если сравнивать характеристики брендовых SSD (дешёвые китайские рассматривать нет смысла, недорогие контроллеры убивают все характеристики), то средняя цена QLC-накопителей примерно на 20-30 % ниже MLC, при одинаковом форм-факторе и объёме.

Скорость доступа. Для модели с чипами QLC она составляет: на чтение до 1500 Мб/сек, на запись до 1000 Мб/сек. Для модели на чипах TLC — 3210 Мб/сек и 1625 Мб/сек соответственно. Скорость записи у QLC-накопителя в полтора раза ниже, а чтения — в два. Разница существенная, но для серфинга в инете и редактирования текстов — более чем достаточная.

TBW (Total Bytes Written). Критичный параметр, характеризующий ресурс SSD. Он говорит о том, какое максимальной количество терабайтов можно записать на накопитель. Чем TBW выше, тем более живучий диск и тем дольше он сможет проработать без сбоев. У всех моделей серии 760p ресурс составляет 288 TBW, а у 660p — всего 100 TBW. Практически трехкратная разница.

DWPD (Drive Writes Per Day). Этот показатель надёжности говорит о том, сколько раз в день можно перезаписать весь накопитель целиком, и рассчитывается по формуле:

DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5

где 0,512 — объем накопителя в терабайтах;
365 — количество дней в году;
5 — количество лет гарантии.

DWPD более объективен, потому что при расчете учитывается время, в течение которого производитель обязуется бесплатно решать проблемы с накопителем. Для QLC-модели DWPD равен 0,1, а для TLC-моделей — 0,32. Другими словами, в данном примере каждый день QLC может полностью перезаписывать 50 Гб — это его штатный режим работы. Учитывая, что при той же цене ёмкость QLC-накопителей выше MLC, то средний пользователь «печатной машинки с интернетом» вряд ли успеет выработать этот ресурс.

Эти два устройства — яркий пример того, как инженерам приходится решать множество технических сложностей, которые в QLC проявились ярче, чем в TLC. В частности, у QLC ниже скорость доступа на запись и чтение, ниже ресурс, выше коэффициент WAF (подробнее о нём — ниже). Давайте рассмотрим подробнее основные трудности и методы их решения.

Скорость доступа

Начнём с одной из наиболее заметных для пользователя особенностей QLC SSD — снижения скорости записи при заполнении кэша накопителя. Поскольку скорость доступа у QLC и так сравнительно невысокая, то производители стараются увеличить её с помощью кэширования. В SSD для этого используется собственный массив ячеек диска, которые переводятся в однобитный режим работы — SLC.

Существует несколько алгоритмов кэширования. Зачастую под кэш выделяется небольшая часть ёмкости самого накопителя — в среднем, от 2 до 16 Гб, в некоторых моделях может быть до нескольких десятков гигабайтов. Недостаток метода в том, что если при работе компьютера идет интенсивный обмен данными, то небольшой объем кэша может быстро заполнится и скорость чтения/записи резко упадет.

Более технологичные компании используют продвинутые контроллеры, которые умеют динамически переводить часть ячеек в быстрый режим SLC, в этом случае объем кэша зависит от общего объема накопителя и может достигать 10 %. В современных SSD используются оба метода: сравнительно небольшое количество статического кэша дополняется динамически выделяемым объемом, который получается в разы больше. Чем больше свободного места, тем больше размер кэша и тем сложнее исчерпать его объем. Логично, что более объемный накопитель имеет кэш большего размера, а значит в нем динамический кэш будет работать эффективнее.

Наглядная зависимость размера SLC-кэша от объема накопителя и свободного места на нем.

Ошибки чтения

Усложнение архитектуры QLC по сравнению с TLC привело и к росту количества ошибок чтения данных. Для их исправления потребовалось внедрить принудительное использование алгоритмов ECC (Error correction code, коды коррекции ошибок). С их помощью контроллер самостоятельно исправляет почти все ошибки чтения данных. И разработка эффективных алгоритмов коррекции — одна из сложнейших задач при создании QLC-накопителей, поскольку требуется не только обеспечить высокую эффективность коррекции (выражается в количестве исправленных битов на 1 Кб данных), но и как можно меньше обращаться к ячейкам памяти, чтобы экономить их ресурс. Для этого производители внедряют более производительные контроллеры, но главное — задействуют мощные научно-статистические аппараты для создания и совершенствования алгоритмов.

Ресурс

Особенности архитектуры QLC не только снижают надёжность, но и приводит к явлению «усиления записи» (Write amplification, WA). Хотя корректнее было бы говорить «умножение записи», однако вариант «усиление» пока что больше распространён в Рунете.

В чём суть WA? В SSD физически с ячейками выполняется гораздо больше операций чтения/записи, чем требуется для того объёма данных, непосредственно принятого от операционной системы. В отличие от традиционных HDD, у которых очень небольшой «квант» перезаписываемых данных, данные на SSD хранятся довольно большими «страницами», обычно по 4 КБ каждая. Также есть понятие «блок» — минимальное количество страниц, которые могут быть перезаписаны. Обычно блок содержит от 128 до 512 страниц.

Например, цикл перезаписи в SSD состоит из нескольких операций:

1. переместить страницы из стираемого блока в место временного хранения,
2. очистить место занимаемое блоком,
3. переписать временный блок, добавив новые страницы,
4. записать обновленный блок на старое место,
5. очистить место, используемое для временного хранения.

Степень «усиления записи» выражается коэффициентом WAF (Write amplification factor): отношение фактически перезаписываемого объёма данных к объёму, который требуется перезаписать. В идеале, когда не используется компрессия, WAF равен 1. Реальные же значения очень сильно зависят от разных факторов, например, от размера перезаписываемых блоков и алгоритмов используемых в контроллерах.

А поскольку ячейки QLC гораздо чувствительнее к количеству циклов перезаписи, то размер WAF стал намного важнее, чем для TLC и MLC.

Какие ещё факторы негативно влияют на WAF в QLC-накопителях?

Алгоритм «сборки мусора», который ищет неравномерно заполненные блоки, которые одновременно содержат пустые и заполненные страницы, перезаписывая их таким образом, чтобы блоки содержали только пустые или только заполненные страницы, что, в дальнейшем, уменьшает количество операций, приводящих к WA.

Wear leveling (Равномерное распределение нагрузки). Блоки, к которым система обращается часто, регулярно перемещаются в ячейки вместо блоков, которые менее востребованы. Это сделано для того, чтобы в накопителе все ячейки памяти изнашивались равномерно. Но в результате общий ресурс накопителя постепенно снижается, даже если вы используете его как архивное хранилище.

Вот пример «усиления записи» из-за работы механизмов wear leveling и сборки мусора:

Также на величину WAF влияет работа механизма коррекции ошибок (ECC). Как уже говорилось, снизить его вклад в «умножение записи» можно с помощью совершенствования алгоритмов, в том числе LDPC.

При достаточном количестве свободного места на SSD, некоторые контроллеры могут переводить часть ячеек NAND в режим с меньшим количеством уровней записи: из QLC в SLC. Это очень существенно ускоряет работу накопителя и повышает его надежность. Но, при уменьшении свободного места, ячейки снова будут перезаписываться в режиме с максимальным количеством уровней. Чем больше свободного места на SSD, тем быстрее и эффективнее он будет работать, при условии, что его контроллер достаточно продвинутый и поддерживает эту функцию. Если часть самых активно используемых ячеек держать в режиме SLC, это повышает общий WAF, но снижает износ.

С ростом WAF в QLC борются различными методами.

Например, с помощью over-provisioning (OP) — выделяя для служебных нужд часть объёма, который не доступен пользователю.

OP = (физическая ёмкость — доступная пользователю ёмкость) / доступная пользователю ёмкость

Чем больше выделяемая область, тем больше свободы у контроллера и быстрее работа его алгоритмов. Например, раньше под OP выделяли разницу между «реальным» и «маркетинговым» гигабайтом, то есть между 10 9 = 1 000 000 000 байтов и 2 30 = 1 073 741 824 байтов и, что равняется 7,37 % от общего объёма накопителя. Есть и ряд других ухищрений для выделения служебного пространства. Например современные контроллеры позволяют динамически задействовать под OP весь текущий свободный объём накопителя.

Примерная зависимость WAF от размера OP:

Позволяет снизить WAF и алгоритм разделения статических и динамических данных (Separating static and dynamic data). Контроллер вычисляет, какие данные перезаписываются часто, а какие преимущественно читаются, или вообще не изменяются, и соответствующим образом группирует блоки данных на диске.

К прочим инструментам уменьшения WAF в QLC-накопителях относятся методики последовательной записи (очень примерно это можно сравнить с привычной нам дефрагментацией HDD). Алгоритм определяет блоки, которые могут принадлежать одному большому файлу и не требуют обработки сборщиком мусора. Если операционная система даст команду на удаление или изменение этого файла, то его блоки будут стираться или перезаписываться целиком, не включаясь в цикл WA, что повышает скорость и меньше изнашивает ячейки памяти. Наконец, свой вклад в борьбу с WA вносит компрессия данных перед записью и дедупликация.

Как вы уже поняли, надёжность и ресурс QLC-накопителей зависит далеко не только от используемых чипов памяти, но и от производительности контроллера, а главное — от продвинутости всевозможных алгоритмов, заложенных в контроллер. Многие компании, даже крупные, покупают контроллеры у других фирм, специализирующихся на их выпуске. Небольшие китайские фирмы пользуются недорогими и простыми контроллерами прошлых поколений, руководствуясь не качеством и новизной алгоритмов, а ценой. Крупные компании не экономят на железе для своих SSD и выбирают контроллеры, обеспечивающие накопителю долгую жизнь и бо̒льшую скорость работы. Лидеры среди производителей контроллеров для SSD постоянно меняются. А ведь кроме сложных контроллеров огромную роль играют и алгоритмы прошивок, которые крупные производители разрабатывают самостоятельно, не доверяя это важное дело сторонним компаниям.

Выводы

Главное преимущество QLC перед накопителями на TLC- и MLC-чипах заключается в том, что в тот же физический объём удалось поместить ещё больше памяти. Так что QLC не вытеснят с рынка предыдущие технологии, и уж тем более не станут конкурентами для HDD.

Разница между QLC и TLC по скорости будет заметна при запуске тяжелых программ и при интенсивном обмене данными. Но обычный пользователь этого может не заметить, потому что в компьютерах того уровня, для которых рекомендуются QLC-накопители, программа дольше ожидает действий пользователя, чем работает с данными.

Можно смело сказать, что ниша недорогих накопителей для компьютеров небольшой производительности, когда не имеет смысла переплачивать за повышенную надежность или максимальные скорости записи и чтения, успешно занята. В таких компьютерах QLC SSD может быть единственным накопителем, на котором будут установлены система и необходимые программы, а также храниться данные пользователя. А в энтерпрайзе — революции не произошло, здесь по прежнему пока будут отдавать предпочтение более надёжным TLC и медленным, но неприхотливым HDD.

Однако технологии не стоят на месте, уже в этом году производители обещают начать переход на техпроцесс в 7 нм, а в перспективе, в 2021 году и позже — грядут техпроцессы 5 и 3 нм. Совершенствуются алгоритмы контроллеров, некоторые фирмы обещают «умные» SSD-накопители, которые будут в несколько раз быстрее, при некоторых специфичных сценариях использования, планируется развитие технологий 3D NAND.

Так что, подождем пару лет и посмотрим, что ещё смогут нам предложить производители.

Для получения дополнительной информации о продукции Kingston обращайтесь на официальный сайт компании.