Объяснение технологии X-NAND – емкость QLC при скоростях SLC

За последнее десятилетие в области хранения данных произошли некоторые быстрые сдвиги. В течение долгого времени жесткие диски были основным и единственным носителем информации, используемым в потребительских ПК. На заре предыдущего десятилетия произошла революционная презентация новой формы носителя данных, известной как твердотельное хранилище. Теперь концепция не была незнакомой, но реализация в начале была, мягко говоря, необработанной. Не говоря уже о том, что стоимость различных типов твердотельных накопителей была чрезмерной по сравнению со стандартным механическим жестким диском, и, таким образом, жесткие диски по-прежнему оставались носителем по умолчанию для хранения на потребительских ПК.

Твердотельные накопители бывают разных форм и размеров – Изображение: TomsHardware

Позже в этом десятилетии продвижение и прогресс в области твердотельных сценических накопителей ускорились в десять раз. На рынок были выведены новые технологии флэш-памяти NAND, появились более быстрые и эффективные контроллеры, необработанное количество накопителей выросло в геометрической прогрессии, а сами накопители стали дешевле и дешевле. Многие из этих изменений на каком-то уровне следует отнести к прогрессу и достижениям в области флэш-памяти NAND. Различные типы и конфигурации флэш-памяти NAND позволили производителям снизить стоимость самого накопителя, сохранив при этом большую емкость и высокую скорость. Прежде чем разгадывать секреты X-NAND, мы должны повторить, что же такое флэш-память NAND на самом деле.

NAND

Как объясняется в нашем расширенном руководстве по покупке твердотельного накопителя, флеш-память NAND – это тип энергонезависимой памяти, не требующей питания для хранения данных. NAND Flash хранит данные в виде блоков и использует электрические цепи для хранения данных. Когда к флеш-памяти не поступает питание, она использует металлооксидный полупроводник, чтобы обеспечить дополнительный заряд, таким образом сохраняя данные.

Эта форма твердотельного хранилища часто сочетается с чем-то, что называется кешем DRAM. Это более быстрый, но компактный носитель данных, который работает в тандеме с флеш-памятью NAND накопителя, чтобы обеспечить высокую скорость, которой славятся твердотельные накопители. Всякий раз, когда система дает команду SSD получить некоторые данные, накопитель должен знать, где именно данные хранятся в ячейках памяти. По этой причине на диске хранится своего рода «карта», которая активно отслеживает, где физически хранятся все данные. Эта «карта» хранится в кэше DRAM диска. Важно понимать, что флеш-память NAND лучше всего работает в паре с кешем DRAM.

SSD Teardown, показывающий чипы NAND Flash и другие компоненты – Изображение: StorageReview

Поскольку X-NAND также является новым типом флеш-памяти NAND, сначала нам нужно вспомнить типы флеш-памяти NAND, которые уже существуют в современных твердотельных накопителях.

• Одноуровневая ячейка (SLC): это самый первый тип флэш-памяти, который был доступен в качестве флэш-памяти. Как следует из названия, он хранит один бит данных на ячейку и поэтому работает очень быстро и долго. Однако, с другой стороны, он не очень плотный с точки зрения того, сколько данных он может хранить, что делает его очень дорогим. В настоящее время он обычно не используется в обычных твердотельных накопителях и ограничивается очень быстрыми корпоративными дисками или небольшими объемами кеша.
• Многослойная ячейка (MLC): несмотря на то, что она медленнее, MLC дает возможность хранить больше данных по более низкой цене, чем SLC. Многие из этих дисков имеют небольшой объем кэша SLC (адекватно названного методом кэширования SLC) для повышения скорости, при которой кэш действует как буфер записи. В настоящее время MLC также был заменен на TLC в большинстве потребительских накопителей, а стандарт MLC был ограничен корпоративными решениями.
• Трехуровневая ячейка (TLC): TLC все еще очень распространен в современных SSD. Хотя он медленнее, чем MLC, он позволяет увеличить емкость по более низкой цене из-за его способности записывать больше данных в одну ячейку. Большинство дисков TLC используют какое-то кэширование SLC, которое улучшает производительность. При отсутствии кеша TLC-диск ненамного быстрее традиционного жесткого диска. Для обычных потребителей эти диски предлагают хорошее соотношение цены и качества и прекрасный баланс между производительностью и ценой. Профессиональным и профессиональным пользователям следует рассмотреть возможность приобретения накопителей MLC корпоративного уровня для повышения производительности, если они сочтут нужным.
• Quad-Level Cell (QLC): это следующий уровень технологии хранения, который обещает более высокую емкость по еще более низким ценам. Он также использует метод кэширования для обеспечения хорошей скорости. Долговечность может быть немного ниже с дисками, использующими QLC NAND, а устойчивая производительность записи может снизиться после заполнения кеша. Однако следует представить более вместительные приводы по доступным ценам.

Это текущие формы флэш-памяти NAND, которые в настоящее время существуют в современных твердотельных накопителях. Поскольку производители постоянно вводят новшества и совершенствуют эти конструкции, чтобы повысить производительность и, что более важно, возможно, сократить расходы, мы также стали свидетелями внедрения в твердотельных накопителях чего-то известного как 3D NAND.

Как было сказано ранее, 2D или Planar NAND имеют только один слой ячеек памяти, тогда как 3D NAND накладывает ячейки друг на друга в виде стопки. Производители накопителей теперь накладывают все больше и больше стопок друг на друга, что приводит к более плотным, более вместительным и менее дорогостоящим накопителям. В настоящее время наслоение 3D NAND стало действительно обычным явлением, и большинство распространенных твердотельных накопителей используют эту технику. Эти накопители стоят меньше, чем их планарные аналоги, потому что дешевле производить более плотные, уложенные друг на друга флэш-накопители по сравнению с 2D. Samsung называет эту реализацию «V-NAND», а Toshiba назвала ее «BISC-Flash».

Диаграмма Samsung показывает разницу между 2D и 3D NAND – Изображение: Guru3D

Этот метод также позволяет производителям накопителей производить твердотельные накопители большей емкости по более низким ценам в больших объемах.

Что такое X-NAND

X-NAND теоретически представляет собой комбинацию лучших качеств SLC и QLC. По сути, концепция пытается объединить лучшее из обоих миров в одном месте, и это действительно то, что необходимо для продвижения сегмента технологии NAND Flash.

Архитектура X-NAND была представлена ​​генеральным директором NEO Semiconductor на саммите флэш-памяти в 2021 году. Эта новая архитектура обещает объединить скорость SLC Flash с плотностью и низкой ценой QLC Flash. По сравнению с традиционной QLC NAND время чтения улучшено до 30%, время программирования – на 37%, пропускная способность чтения – до 27 раз, а пропускная способность записи – до 14 раз. Это астрономические улучшения, когда мы сравниваем его с тем, что у нас есть сегодня, что делает X-NAND действительно привлекательной архитектурой, на которую стоит обратить внимание в ближайшем будущем.

Улучшения по сравнению с обычной QLC NAND – Изображение: Tom’s Hardware

Преимущества X-NAND

Энди Хсу, генеральный директор NEO Semiconductor, объяснил потенциальные преимущества X-NAND на трехдневном саммите по виртуальной флэш-памяти на 2020 год. Ниже приведены некоторые важные преимущества X-NAND по сравнению с существующими флэш-технологиями.

Скорость

Лучшее в X-NAND – это потенциальное объединение двух лучших вещей, которые мы находим сегодня в SLC и QLC NAND. В настоящее время пользователи должны делать выбор между емкостью и доступностью QLC или чистой скоростью чего-то вроде диска MLC (поскольку SLC больше не используется для производства потребительских SSD). Поскольку X-NAND обещает объединить скорость SLC с пропускной способностью QLC, у нас нет причин сомневаться в том, что эта новая технология обеспечит смехотворные показатели скорости.

Емкость

В настоящее время QLC является предпочтительным типом флэш-памяти NAND, когда речь идет о производстве твердотельных накопителей большой емкости по разумным ценам. Это связано с тем, что благодаря архитектуре и плотности флэш-памяти QLC можно хранить во флэш-памяти больше данных, чем вы можете сохранить на аналогичном оборудовании MLC или даже TLC-накопителе. Использование преимуществ емкости более медленной QLC NAND на более высоких скоростях SLC потенциально приведет к созданию твердотельного накопителя, который сочетает в себе лучшее из обоих миров, как мы ускользали ранее.

Доступность

Нет определенной информации о ценах на X-NAND на момент написания, но если текущая ценовая ситуация на SLC и QLC NAND является чем-то приемлемым, X-NAND может быть таким же дешевым, как QLC в ближайшее будущее. QLC – это самая медленная и самая распространенная форма NAND в твердотельных накопителях на сегодняшний день, а значит, и самая дешевая. Хотя может быть немного преувеличением сказать, что X-NAND определенно будет соответствовать или подорвать сегодняшние накопители QLC, потенциал определенно присутствует, и это неоспоримо. Сегмент бюджетных твердотельных накопителей уже очень конкурентоспособен, как мы отметили в нашем обзоре 5 лучших бюджетных твердотельных накопителей SATA для покупки в 2021 году, а с X-NAND он может стать еще более переполненным.

Механизм X-NAND

В то время как потребительские диски QLC в значительной степени полагаются на кэширование SLC (имея на борту небольшое количество SLC NAND для ускорения процессов), X-NAND находит способ для флэш-памяти поддерживать производительность SLC в течение длительного периода времени. Это достигается одновременным включением режимов записи SLC и QLC, что не реализовано в текущих накопителях QLC.

Сравнение скорости записи – Изображение: Tom’s Hardware

Как видно из этой диаграммы производительности, пропускная способность записи современного накопителя QLC резко падает по прошествии определенного периода времени. Это связано с тем, что кэш SLC переполнен, и для перемещения данных накопителю приходится полагаться на гораздо более медленную QLC NAND. Сравните это с линией графика X-NAND, которая остается на уровне 100% на протяжении всего теста, и разница между днем ​​и ночью. Здесь мы действительно можем оценить преимущества производительности X-NAND, которые выводят скорости уровня SLC на более доступный ценовой диапазон и уровень емкости.

Под капотом – Изображение: Tom’s Hardware

X-NAND достигает этих преимуществ за счет перехода от буфера страницы 16 КБ на плоскость к буферу страницы 1 КБ на плоскость, но с шестнадцатикратным увеличением плоскостей, как указано в одном примере. Это можно понять, проанализировав некоторые используемые здесь термины. Плоскость, как правило, является наименьшей единицей чередования для вспышки, с одной или несколькими плоскостями на матрицу вспышки. Буфер страницы хранит данные, передаваемые между шиной и флеш-памятью. Флэш-кристалл разделен на плоскости, содержащие битовые линии или цепочки ячеек, поэтому планарное деление может уменьшить длину битовой линии, что помогает повысить производительность. Производительность записи может быть значительно увеличена с помощью этого процесса.

Будущие приложения

Будущее, безусловно, кажется светлым, если мы посмотрим на потенциал X-NAND. Хотя, конечно, трудно предсказать, станет ли X-NAND реальным жизнеспособным продуктом на рынке в ближайшее время, но путь к внедрению этой технологии, похоже, довольно хорошо проложен. X-NAND определенно встряхнет рынок твердотельных накопителей, если он дебютирует в текущей рыночной ситуации.

Принимая во внимание потенциал для дальнейших улучшений и доработок, X-NAND определенно может стать жизнеспособным кандидатом для центров обработки данных и корпоративных приложений в будущем. Самым важным в настройке центра обработки данных, безусловно, является безопасность и избыточность данных. Если умы, стоящие за X-NAND, смогут выяснить, как повысить долговечность и надежность этой NAND, то это определенно может быть сегментом рынка, в котором X-NAND может оказать влияние в ближайшем будущем.

Что касается потребительских ПК и игровых приложений, здесь также есть большой потенциал. В настоящее время потенциальные покупатели SSD определенно разрываются между скоростью MLC / TLC и емкостью и ценой на QLC NAND. Цена определенно будет играть большую роль в успехе X-NAND на рынке потребительских настольных ПК, но мы можем ожидать, что она станет лучше, когда архитектура станет более зрелой, а процесс производства станет более оптимизированным.

Вывод

Архитектурное сравнение – Изображение: Tom’s Hardware

Хотя это может показаться слишком хорошим, чтобы быть правдой, X-NAND – это революционная новая технология, которая направлена ​​на объединение лучших частей типов SLC и QLC NAND. Хотя сейчас это может быть не так просто, нельзя игнорировать потенциал этой технологии. Это не только то, что может стать большим достижением в области центров обработки данных и периферийных вычислений, но и на рынке потребительских настольных ПК и игровых машин. X-NAND все еще находится в зачаточном состоянии, и на момент написания статьи на рынке нет продукта, использующего эту флэш-память NAND, но должно быть интересно узнать, что умы, стоящие за X-NAND, запланировали для ее возможного запуска. магазин.