82

To będzie rok pamięci QLC, ale czy faktycznie potrzebujemy pojemniejszych dysków SSD?

Dyski SSD z roku na rok stają się nie tylko coraz szybsze, ale również coraz bardziej pojemne. Gonitwa zarówno za szybkością jak i pojemnością, wpisuje się doskonale standardowy rozwój niemal wszystkich nowoczesnych technologii. Powstaje zatem pytanie, czy jest jakaś granica? Bo wszyscy musimy zdawać sobie sprawę, że postęp ma swój koszt, w przypadku SSD to ich trwałość.

Ten z rok z całą pewnością będzie należał do technologii QLC (Quad Level Cell), nad którą pracują wszyscy najważniejsi producenci pamięci NAND na świecie. Część z nich jak Toshiba czy Samsung zapowiedziały, że wprowadzą gotowe produkty jeszcze w tym roku. Micron posunął się nawet do zapowiedzi dysku klasy Enterprise, który będzie korzystał z pamięci QLC, przez co ma zapewnić dużo większą pojemność przy niższej cenie. Tym samym firma zapowiada mocną konkurencję dla dysków HDD o pojemności 10TB i więcej.

SLC, MLC, TLC i QLC – z czym to się je?

Zacznijmy może jednak od podstaw i wyjaśnienia kilku ważnych pojęć związanych z dyskami SSD. Pamięci NAND które wykorzystywane są przez tego typu nośniki, dzielimy na kilka rodzajów, różniących się głównie trwałością. Dane na nośnikach SSD zapisywane są w tzw. komórkach. Każda pojedyncza komórka pamięci NAND jest w stanie utrzymać określony ładunek o zadanym napięciu.

Na początku mieliśmy pamięci typu SLC (skrót od nazwy Single Level Cell – komórka jednopoziomowa), gdzie trzymany był jeden bit informacji. W praktyce kontroler sprawdzał tylko czy dana komórka ma jakieś napięcie (1) lub nie ma (0). Tego typu pamięci są bardzo trwałe, pozwalają nawet na 100 000 cykli zapisu i kasowania komórki, bo jej degradacja postępuje wolniej, a odczyt napięcia ładunku nie musi być dokładny, istotny jest fakt jego istnienia.

Później pojawiły się pamięci MLC (Multi Level Cell – komórka wielopoziomowa). Sama nazwa jest nieco myląca, powinno to być raczej DLC, czyli Double Level Cell, bo tego typu pamięć jest w stanie zapisać w jednej komórce 2 bity informacji, a multi oznacza wiele, więc może to być 2, 3 czy 4. To jednak tylko taka mała dygresja. Aby zapisać 2 bity informacji w systemie binarnym potrzebujemy już móc rozróżnić 4 poziomy napięcia w komórce (dane mogą mieć postać sekwencji 00, 01, 10 lub 11). Doskonale przedstawia to wykres zamieszczony poniżej. Konieczność rozpoznania aż 4 stanów komórki zredukowała jej trwałość do mniej więcej 10 000 cykli zapisu/kasowania danych. Dzięki temu jednak udało się podwoić ilość przechowywanych danych w pojedynczej komórce. To natomiast znacznie obniżyło koszt produkcji nośników MLC w stosunku do SLC o takiej samej pojemności.

W zeszłym roku coraz większą popularność zdobywały dyski SSD bazujące na pamięciach typu TLC – Triple Level Cell (komórka trójpoziomowa). W takiej komórce można przechować aż 3 bity danych. Jednak aby zapisać 3 bity w notacji binarnej, musimy rozróżnić już nie 4, a 8 stanów napięcia w pojedynczej komórce. Jak więc widzicie, skala trudności rośnie radykalnie. Stąd też trwałość takich komórek też jest znacznie mniejsza. Orientacyjnie powinno to być około 1000 cykli zapisu/kasowania danych, ale producenci pamięci i kontrolerów stosują różne metody aby ten wskaźnik podnieść. Głównie chodzi tutaj o mechanizmy kontroli spójności danych (sumy kontrolne). TLC pozwala zapisać już tylko o połowę więcej danych niż MLC, ale dzięki zmniejszaniu rozmiaru produkcyjnego i układaniu pamięci w stosy (3D NAND/V-NAND), pojemność dysków wzrosła nawet dwukrotnie.

Architecting IT

źródło obrazka: Architecting IT

QLC to już wyższa szkoła jazdy

I tak oto dochodzimy do pamięci QLC, czyli Quad Level Cell (komórka czteropoziomowa), które są w stanie zapisać w jednej komórce aż 4 bity informacji. Dla porządku dodam, że aby zapisać 4 bity w notacji binarnej potrzebujemy rozróżnić aż 16 poziomów napięcia. Wszystko to dzieje się na poziomie komórki o wielkości kilkudzisięciu nanometrów. Oczywistym jest, że im więcej tych poziomów tym bardziej prawdopodobne jest, że z czasem ładunek przestanie być utrzymywany poprawnie i pojawią się błędy. W praktyce komórka QLC nie powinna wytrzymać więcej niż 100 cykli zapisu i kasowania danych. Micron zapowiada jednak, że udało mu się tą wartość zwiększyć do 1000 cykli.

Pamięć QLC daje nam kolejne 33% więcej pojemności w stosunku do TLC z tego samego kawałka krzemu, więc jest kolejnym krokiem w stronę zmniejszenia ceny 1 GB pojemności dysku SSD. Pytanie tylko, czy my naprawdę chcemy, aby nasz dysk SSD był tak zaawansowaną konstrukcją, gdzie większość mocy obliczeniowej kontrolera idzie na korekcję danych. Czy faktycznie potrzebujemy aby dysk SSD całkowicie wyparł nośniki HDD z naszych komputerów?

Na to pytanie każdy odpowie sobie pewnie samodzielnie. Niechęć do dysków korzystających z pamięci TLC wśród entuzjastów komputerów jest widoczna niemal na każdym forum. Do tej pory jednak nie ma dla tego zachowania poważniejszego uzasadnienia. Być może podobnie będzie także z pamięciami QLC, ale ja osobiście raczej nie zdecyduje się na bycie królikiem doświadczalnym.

Micron planuje wprowadzić QLC do dysków klasy enterprise

Być może jednak moje obawy są bezpodstawne, bo jak się okazuje, Micron zamierza niedługo wprowadzić do swojej oferty dysk korzystający z pamięci QLC przeznaczony dla centrów danych. Firma co prawda celuje w konkretny segment, tzw. WORM (write once, read many workloads), gdzie przeprowadzana są głównie operacje odczytu, a nie zapisu danych, ale mimo wszystko musi zapewnić niezawodność na pewnym poziomie. Co ciekawe dyski tego typu mają zastąpić stosunkowo tanie nośniki HDD 7200RPM, więc będą musiały zaoferować pojemność powyżej 10 TB. Nie powinno to być problemem, bo Samsung zapowiadał, że przy pomocy QLC będzie w stanie stworzyć dysk SSD o pojemności przekraczającej 100TB.