QLC-basierte SSD - Festplattenkiller? Nein eigentlich

    SSD-Laufwerke gehören längst nicht mehr zu den teuren und unzuverlässigen Exoten und sind auf allen Ebenen zu einem vertrauten Bestandteil von Computern geworden, von Budget-Office-Schreibmaschinen bis zu leistungsstarken Servern.

    In diesem Artikel wollen wir über eine neue Etappe in der Entwicklung von SSD sprechen - die nächste Erhöhung der Datenaufzeichnung in NAND: über Vier-Ebenen-Zellen, die jeweils 4 Bits speichern, oder QLC (Quad-Level-Zelle). Mit dieser Technologie hergestellte Laufwerke weisen eine höhere Aufzeichnungsdichte auf, dies vereinfacht die Erhöhung ihres Volumens und die Kosten sind niedriger als bei SSDs mit "traditionellen" MLC- und TLC-Zellen.



    Wie zu erwarten war, mussten im Entwicklungsprozess viele Probleme gelöst werden, die mit dem Übergang zu einer neuen Technologie verbunden sind. Große Konzerne bewältigen sie erfolgreich, und kleine chinesische Firmen befinden sich immer noch im Rückstand, ihre Antriebe sind weniger technologisch, aber billiger.

    Wie dies geschah, ob ein neuer „HDD-Killer“ aufgetaucht ist und ob es notwendig ist, zu den Geschäften zu laufen und alle HDDs und SSDs früherer Generationen durch neue zu ersetzen, werden wir unten erzählen.

    Im Lauf der Evolution der Laufwerke änderte sich die Art und Weise, wie Informationen gespeichert wurden, der technische Prozess wurde immer subtiler, die Aufzeichnungsdichte nahm sowohl in einer einzelnen Zelle als auch auf einem Chip zu. Die Algorithmen wurden in Controllern verbessert, die Schreibgeschwindigkeit näherte sich der Lesegeschwindigkeit und sie wuchsen schnell. Heutzutage hat die gleichmäßige Verteilung von Anrufen auf NAND-Speicherzellen ein bestimmtes Optimum erreicht, die Zuverlässigkeit der Informationsspeicherung ist um ein Vielfaches gestiegen und entspricht nahezu der von herkömmlichen HDDs. Im Zuge der rasanten Entwicklung der Technologie begann man, SSD in einer Vielzahl von Formfaktoren herzustellen.





    Jetzt gibt es auf dem Markt eine große Auswahl an Laufwerken einer Vielzahl von Unternehmen, sowohl First-Tier-A-Marken als auch chinesische Unternehmen, die versucht haben, SSDs für jeden ausreichend zu nutzen

    Was bietet uns die QLC-Technologie?


    Die Anzahl von Bits, die in eine NAND-Zelle geschrieben werden, wird dadurch bestimmt, wie viele Ladungspegel in einem Floating-Gate-Transistor vorhanden sind. Je mehr davon, desto mehr Bits können einen Transistor speichern. Dies ist der Hauptunterschied zwischen der QLC-Technologie und der "vorherigen" TLC - die Anzahl der Bits in einer Zelle ist von drei auf vier gestiegen .

    Mit zunehmender Anzahl von Ladezuständen ändern sich die Eigenschaften des Laufwerks sehr stark: Die Zugriffsgeschwindigkeit nimmt ab, die Zuverlässigkeit der Informationsspeicherung nimmt ab, aber die Kapazität steigt und das Preis / Volumen-Verhältnis wird für Käufer attraktiver. Dementsprechend sind mit der QLC-Technologie gebaute Chips billiger als die vorherige TLC-Generation, die drei Bits in einer Zelle speichert. Gleichzeitig ist QLC weniger zuverlässig, da die Wahrscheinlichkeit eines Zellversagens mit jeder neuen Stufe erheblich steigt.

    Neben der Komplexität einer einzelnen Zelle entstehen andere. Aufgrund der Tatsache, dass Speicherchips mit der 3D-NAND-Technologie hergestellt werden, handelt es sich um dreidimensionale Arrays von Zellen, die dicht aufeinander gepackt sind, und die Zellen in den benachbarten „Etagen“ 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 in einem Kristall von 48 auf 64. Im Rahmen einer anderen Technologie wird ein "Spike" von zwei 48-Schichten-Kristallen erzeugt, was die Gesamtzahl auf 96 erhöht, was sehr hohe Anforderungen an die Kombination der Grenzen von Sandwich “, es wird zu mehr Versagenspunkten und der Anteil der Ehe wächst. Trotz der Komplexität des Prozesses ist diese Technologie rentabler. anstatt zu versuchen, Schichten in einem einzigen Chip aufzuwachsen, weil die Zurückweisung mit zunehmender Anzahl von Schichten nichtlinear zunimmt und eine geringe Ausbeute an geeigneten Chips zu teuer wäre. Im Interesse der Fairness sollte beachtet werden, dass sich nur die Unternehmen der Spitzenklasse solche Entwicklungen leisten können. Einige chinesische Firmen, die Chips herstellen, haben nicht auf Kristalle mit 64 Schichten umgestellt, und bislang verfügen nur Elektronik-Giganten wie Intel und Micron über die Technologie, zwei Kristalle mit 48 Schichten zu "kleben".


    3D-NAND

    Ein weiteres neues Produkt, das bei Antrieben der neuen A-Markengeneration zum Einsatz kommt, ist die Übertragung der Steuerungs- und Versorgungsbänder auf ein Array von Zellen. Aufgrund dessen hat sich die Fläche der Kristalle verringert und es ist möglich, vier Speicherbanken an Orten zu platzieren, an denen sich bisher nur zwei befanden. Dies wiederum ermöglichte es, Abfragen zu parallelisieren und die Arbeitsgeschwindigkeit mit Speicher zu erhöhen. Darüber hinaus erlaubt eine kleinere Fläche von Kristallen die Speicherkapazität zu erhöhen.

    Eine erhöhte Zelldichte hilft, eine schnellere Speicherdegradation zu verhindern. Diese Aufgabe wurde "in der Stirn" mit Hilfe einer noch größeren Redundanz des Zellenfeldes erledigt.

    Die Prototypen der QLC-Chips wurden letzten Sommer gezeigt, und die ersten Versprechungen über die Freigabe von SSDs auf eine neue Technologie wurden Anfang dieses Jahres gemacht. Im Sommer gaben fast alle Hersteller von Antrieben an, dass sie zur Serienreife bereit seien, und sprachen die Namen neuer Modelle, ihre Preise und Spezifikationen aus. Jetzt können Sie SSDs mit QLC-Chips kaufen. Die meisten Modelle sind im Formfaktor M2 und 2,5 "mit Kapazitäten von 512 Gigabyte, 1 und 2 Terabyte erhältlich.

    Positionierung von QLC-Antrieben


    Zunächst muss man zugeben, dass Laufwerke, die mit der neuen QLC-Technologie erstellt wurden, grundsätzlich nicht für ernsthafte / kritische Aufgaben geeignet sind. Der Grund dafür liegt in einer ganzen Reihe technischer Schwierigkeiten, die Ingenieure der beiden großen Unternehmen, Erfinder und chinesischen "Anhänger" lösen müssen.

    Am Intel-Standort werden beispielsweise neue SSDs nur im Segment für Heimcomputer der Mittelklasse 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 beliebter. Für die Arbeit im Segment "Enterprise" werden nur Laufwerke mit MLC- und TLC-Chips angeboten.

    Wenn wir die Eigenschaften von Marken-SSDs vergleichen (es macht keinen Sinn, billige Chinesen in Betracht zu ziehen, billige Controller töten alle Eigenschaften), dann ist der Durchschnittspreis von QLC-Laufwerken um 20 bis 30% niedriger als bei MLC bei gleichem Formfaktor und Volumen.



    Zugriffsgeschwindigkeit . Für ein Modell mit QLC-Chips gilt: zum Lesen von bis zu 1500 MB / s, zum Schreiben von bis zu 1000 MB / s. Für das Modell auf TLC-Chips - 3210 MB / s bzw. 1625 MB / s. Die Schreibgeschwindigkeit des QLC-Laufwerks ist eineinhalb Mal niedriger und die Messwerte sind zweimal niedriger. Der Unterschied ist erheblich, aber für das Surfen im Internet und das Bearbeiten von Text ist mehr als genug.

    TBW (Geschriebene Gesamtbytes) . Der kritische Parameter, der die Ressourcen-SSD kennzeichnet. Es gibt die maximale Anzahl von Terabytes an, die auf das Laufwerk geschrieben werden können. Je höher die TBW ist, desto widerstandsfähiger ist das Laufwerk und desto länger kann es ohne Fehler funktionieren. Für alle Modelle der 760p-Serie beträgt die Ressource 288 TBW und für die 660p-Serie nur 100 TBW. Fast dreifacher Unterschied.

    DWPD (Laufwerk schreibt pro Tag). Dieser Zuverlässigkeitsindikator gibt an, wie oft am Tag Sie das gesamte Laufwerk insgesamt überschreiben können, und wird anhand der folgenden Formel berechnet:

    DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5

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

    DWPD ist objektiver, da bei der Berechnung die Zeit berücksichtigt wird, in der sich der Hersteller verpflichtet, Probleme mit dem Laufwerk kostenlos zu lösen. Für das QLC-Modell beträgt der DWPD-Wert 0,1 und für die TLC-Modelle 0,32. Mit anderen Worten: In diesem Beispiel kann QLC täglich 50 GB vollständig überschreiben. Dies ist die normale Betriebsart. Angesichts der Tatsache, dass die Kapazität der QLC-Laufwerke zum gleichen Preis höher ist als die des MLC, ist es für den durchschnittlichen Benutzer einer "Schreibmaschine mit Internet" unwahrscheinlich, dass er diese Ressource entwickeln kann.

    Diese beiden Geräte sind ein anschauliches Beispiel dafür, wie Ingenieure viele technische Probleme lösen müssen, die bei QLC deutlicher waren als bei TLC. Insbesondere hat QLC eine niedrigere Zugriffsgeschwindigkeit für das Schreiben und Lesen, niedrigere Ressourcen und ein höheres WAF-Verhältnis (mehr darüber - niedriger). Schauen wir uns die Hauptschwierigkeiten und -methoden für ihre Lösung an.

    Zugriffsgeschwindigkeit


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

    Es gibt mehrere Zwischenspeicherungsalgorithmen. Häufig 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 mehrere zehn Gigabyte vorhanden sein. Der Nachteil des Verfahrens besteht darin, dass bei einem intensiven Datenaustausch bei laufendem Computer eine kleine Menge Cache schnell gefüllt wird und die Lese- / Schreibgeschwindigkeit drastisch sinkt.

    Technologisch fortgeschrittene Unternehmen setzen fortschrittliche Controller ein, die einen Teil der Zellen dynamisch in den schnellen SLC-Modus überführen können. In diesem Fall hängt die Cachegröße vom Gesamtvolumen des Laufwerks ab und kann 10% erreichen. Bei modernen SSDs werden beide Methoden verwendet: Ein relativ kleiner statischer Cache-Speicher 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, sein Volumen zu erschöpfen. Es ist logisch, dass ein größeres Laufwerk über einen größeren Cache verfügt, was bedeutet, dass der dynamische Cache effizienter arbeitet.


    Visuelle Abhängigkeit der SLC-Cache-Größe vom Laufwerksvolumen und von freiem Speicherplatz.

    Fehler lesen


    Die Kompliziertheit der QLC-Architektur im Vergleich zu TLC hat auch zu einer Zunahme der Datenlesefehler geführt. Um diese zu korrigieren, war es notwendig, die erzwungene Verwendung von ECC-Algorithmen (Error Correction Code) einzuführen . Mit ihrer Hilfe korrigiert die Steuerung nahezu alle Datenlesefehler selbständig. Die Entwicklung effektiver Korrekturalgorithmen ist eine der schwierigsten Aufgaben bei der Erstellung von QLC-Antrieben, da nicht nur eine hohe Korrektureffizienz (ausgedrückt in der Anzahl der korrigierten Bits pro 1 KB Daten) gewährleistet werden muss, sondern auch die Speicherzellen so wenig wie möglich angesprochen werden müssen, um ihre Ressourcen zu schonen . Hersteller führen dazu produktivere Steuerungen ein. Die wichtigste Aufgabe besteht jedoch darin, leistungsstarke wissenschaftliche und statistische Geräte zu verwenden, um Algorithmen zu erstellen und zu verbessern.

    Ressource


    Die Merkmale der QLC-Architektur reduzieren nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern führen auch zum Phänomen der "Schreibverstärkung" (Write Amplification, WA) . Zwar wäre es richtiger, "Record Multiplication" zu sagen, aber die Option "gain" ist in RuNet noch gebräuchlicher.

    Was ist WA? SSD führt physikalisch viel mehr Lese- / Schreiboperationen mit Zellen aus, als für die Datenmenge erforderlich ist, die direkt vom Betriebssystem empfangen wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen Festplatten, die ein sehr kleines "Quantum" an wiederbeschreibbaren Daten haben, werden die Daten auf der SSD in ziemlich großen "Seiten" gespeichert, normalerweise jeweils 4 KB. Es gibt auch das Konzept des "Blockierens" - die minimale Anzahl von Seiten, die überschrieben werden können. Normalerweise enthält ein Block 128 bis 512 Seiten.

    Zum Beispiel besteht der Überschreibzyklus in SSD aus mehreren Operationen:

    1. Verschieben von Seiten aus dem löschbaren Block an einen temporären Speicherort,
    2. Räumen Sie den von der Einheit belegten Raum frei
    3. den temporären Block durch Hinzufügen neuer Seiten neu schreiben,
    4. schreibe den aktualisierten Block an den alten Ort,
    5. leeren Sie den für die vorübergehende Speicherung verwendeten Speicherplatz.

    Wie Sie sehen, liest und löscht dieser Vorgang relativ viele 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 die Bandbreite des Flash-Speichers erheblich.

    Der Grad der „Schreibverstärkung“ wird durch das WAF-Verhältnis (Schreibverstärkungsfaktor) ausgedrückt: Das Verhältnis des tatsächlich wiederbeschreibbaren Datenvolumens zu dem Volumen, das überschrieben werden muss. Idealerweise ist WAF, wenn keine Komprimierung verwendet wird, gleich 1. Die tatsächlichen Werte hängen sehr stark von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Größe der wiederbeschreibbaren Blöcke und Algorithmen, die in Steuerungen verwendet werden.

    Und da QLC-Zellen viel empfindlicher auf die Anzahl der Umschreibzyklen reagieren, ist die Größe der WAF viel wichtiger als bei TLC und MLC.

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

    • Der Speicherbereinigungsalgorithmus , der nach ungleichmäßig gefüllten Blöcken sucht, die gleichzeitig leere und gefüllte Seiten enthalten, wird überschrieben, sodass die Blöcke nur leere oder nur gefüllte Seiten enthalten, was die Anzahl der Vorgänge, die zu WA führen, weiter verringert.

    • Tragen Sie Nivellierung . Die Blöcke, auf die das System häufig zugreift, werden regelmäßig in Zellen verschoben, anstatt weniger benötigte Blöcke. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Speicherzellen im Laufwerk gleichmäßig abgenutzt werden. Der Anteil des Laufwerks nimmt jedoch allmählich ab, auch wenn Sie es als Archivspeicher verwenden.

      Hier ist ein Beispiel für einen "Schreibgewinn" aufgrund der Arbeit der Verschleißnivellierung und der Abfallsammelmechanismen:

    • Die Größe der WAF wird auch durch den Betrieb des Fehlerkorrekturmechanismus (ECC) beeinflusst. Wie bereits erwähnt, ist es möglich, seinen Beitrag zur "Aufzeichnungsmultiplikation" durch Verbesserung der Algorithmen, einschließlich LDPC, zu reduzieren .
    • Mit genügend freiem Speicherplatz auf der SSD können einige Controller einen Teil der NAND-Zellen in einen Modus mit weniger Schreibpegeln übertragen: von QLC zu SLC. Dies beschleunigt das Laufwerk erheblich und erhöht die Zuverlässigkeit. Wenn jedoch der freie Speicherplatz reduziert wird, werden die Zellen im Modus erneut mit der maximalen Anzahl von Ebenen überschrieben. Je mehr freier Speicherplatz auf der SSD vorhanden ist, desto schneller und effizienter arbeitet sie, sofern der Controller ausreichend fortgeschritten ist und diese Funktion unterstützt. Wenn ein Teil der am aktivsten verwendeten Zellen im SLC-Modus gehalten wird, erhöht dies die Gesamt-WAF, verringert jedoch den Verschleiß.

    Mit dem Wachstum von WAF in QLC kämpfen sie mit verschiedenen Methoden.

    Bei der Verwendung von Over-Provisioning (OP) - Zuweisung für Offizielle benötigt ein Teil des Volumes, das dem Benutzer nicht zur Verfügung steht.

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

    Je größer der zugewiesene Bereich, desto mehr Freiheit hat der Controller und desto schneller arbeiten die Algorithmen. Zum Beispiel wurde zuvor unter OP die Differenz zwischen "echten" und "Marketing" Gigabyte unterschieden, 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 weiterer Tricks, um Speicherplatz zuzuweisen. Mit modernen Steuerungen können Sie beispielsweise das gesamte freie Volumen des Laufwerks unter OP dynamisch verwenden.

    Ungefähre Abhängigkeit von WAF von der Größe des OP:



    Ermöglicht die Reduzierung von WAF und die Trennung statischer und dynamischer Daten (Trennung statischer und dynamischer Daten). Der Controller berechnet, welche Daten häufig überschrieben werden und welche meist gelesen oder überhaupt nicht verändert werden, und gruppiert die Datenblöcke auf der Platte entsprechend.

    Andere Tools zur Reduzierung des WAF in QLC-Laufwerken umfassen sequentielle Aufnahmetechniken (sehr grob kann dies mit der Defragmentierung der Festplatte verglichen werden, die wir gewohnt sind). Der Algorithmus bestimmt die Blöcke, die zu einer großen Datei gehören können und keine Verarbeitung durch den Garbage Collector erfordern. Wenn das Betriebssystem einen Befehl zum Löschen oder Ändern dieser Datei gibt, werden die Blöcke gelöscht oder vollständig überschrieben, ohne in die WA-Schleife aufgenommen zu werden. Dadurch wird die Geschwindigkeit erhöht und es werden weniger Speicherzellen verbraucht. Schließlich trägt die Datenkompression vor der Aufzeichnung und Deduplizierung zum Kampf gegen WA bei.

    Wie Sie bereits verstanden haben, hängt die Zuverlässigkeit und die Ressourcen von QLC-Laufwerken nicht nur von den verwendeten Speicherchips ab, sondern auch von der Controller-Leistung und vor allem von der Weiterentwicklung verschiedener Algorithmen, die im Controller integriert sind. Viele Unternehmen, auch große, kaufen Controller von anderen auf ihre Produktion spezialisierten Firmen. Kleine chinesische Firmen verwenden preiswerte und einfache Controller früherer Generationen, die nicht von der Qualität und der Neuheit der Algorithmen, sondern vom Preis bestimmt werden. Große Unternehmen sparen bei ihren SSDs nicht an Hardware und entscheiden sich für Controller, die dem Laufwerk eine lange Lebensdauer und höhere Leistung bieten. Führende Hersteller von SSD-Controllern ändern sich ständig. Neben den komplexen Steuerungen spielen jedoch die von großen Herstellern eigenständig entwickelten Firmware-Algorithmen eine große Rolle.



    Schlussfolgerungen


    Der Hauptvorteil von QLC gegenüber Laufwerken mit TLC- und MLC-Chips besteht darin, dass noch mehr Speicher in demselben physischen Volumen untergebracht werden konnte. Daher wird QLC die bisherigen Technologien nicht aus dem Markt verdrängen und wird auch nicht zu Konkurrenten für Festplatten.

    Der Unterschied zwischen QLC und TLC in der Geschwindigkeit wird beim Ausführen umfangreicher Programme und bei intensivem Datenaustausch spürbar. Der Durchschnittsbenutzer bemerkt dies jedoch möglicherweise nicht, da das Programm auf Computern mit dem Level, für das QLC-Laufwerke empfohlen werden, länger auf den Benutzer wartet, um Maßnahmen zu ergreifen, als mit den Daten zu arbeiten.

    Wir können mit Sicherheit sagen, dass die Nische der kostengünstigen Laufwerke für Computer mit niedriger Produktivität, bei denen es nicht sinnvoll ist, für erhöhte Zuverlässigkeit oder maximale Schreib- und Lesegeschwindigkeiten zu viel zu bezahlen, erfolgreich besetzt ist. In solchen Computern kann die QLC-SSD das einzige Laufwerk sein, auf dem das System und die erforderlichen Programme sowie gespeicherte Benutzerdaten installiert werden. Und im Unternehmen - die Revolution fand nicht statt, hier wie zuvor werden sie die zuverlässigere TLC und die langsame, aber unprätentiöse HDD bevorzugen.

    Die Technologie steht jedoch nicht still. Bereits in diesem Jahr versprechen die Hersteller, den Übergang zum technischen Prozess bei 7 nm zu beginnen, und langfristig werden sich die technischen Prozesse 2021 und später auf 5 und 3 nm belaufen. Controller-Algorithmen werden verbessert, einige Unternehmen versprechen "intelligente" SSD-Laufwerke, die um ein Vielfaches schneller sein werden. In bestimmten Anwendungsfällen ist die Entwicklung von 3D-NAND-Technologien geplant.

    Warten Sie also ein paar Jahre und sehen Sie, was uns andere Hersteller bieten können.

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

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