Warum die Einführung von QLC-Flash vorteilhaft ist
Unternehmen müssen zwar Hindernisse beim Einsatz von QLC überwinden, aber es gibt gute Argumente dafür. Dabei hat letztlich 3D-NAND die Einführung von QLC in Firmen ermöglicht.
Die QLC-Flash-Technologie, von der man früher dachte, sie sei nur für preiswerte USB-Flash-Laufwerke geeignet, hat sich zu einer brauchbaren Option für Unternehmens-SSDs entwickelt.
Die Akzeptanz von QLC-SSDs (Quad Level Cell) in Unternehmen ist auf eine Reihe von Faktoren zurückzuführen. Dazu gehören das Aufkommen von 3D-NAND, ausgefeilte Controller und die Tatsache, dass IT-Administratoren jetzt ein besseres Verständnis der Anforderungen an die Speicherarbeitslast haben. Zusammen ermöglichen diese Faktoren eine breitere Nutzung der weniger robusten Flash-Technologie in Fällen, in denen die Festigkeit keine Rolle spielt.
3D NAND macht QLC unternehmenstauglich
3D-NAND brachte eine sehr dramatische Veränderung für NAND-Flash. In der Vergangenheit schrumpfte bei planarem NAND die Größe der Bit-Zelle mit jeder neuen Prozessgeneration in der Regel um den Faktor vier.
QLC-Flash war aus einem einfachen Grund in keiner planaren Generation weithin verfügbar. Wenn planare Flash-Chips auf einen neuen Prozessknoten migriert wurden, wurden sie ursprünglich mit entspannten Spezifikationen eingeführt. Bei den früheren Generationen war das SLC, und bei etwa 25 nm wurde daraus MLC. Nach einer umfangreichen Charakterisierung – und nachdem der Herstellungsprozess sehr stabil geworden war – unternahm die Branche den nächsten Schritt: Die SLC-Chips bildeten die Grundlage für MLC-Chips, und die Chips, die als MLC begannen, brachten TLC-Pendants hervor.
QLC-Flash wäre ein logischer nächster Schritt im Kostensenkungsprozess, der einen Kostenvorteil von etwa 20 Prozent gegenüber den TLC-Chips mit sich bringen würde, aber das könnte erst einige Jahre nach der Einführung des ursprünglichen MLC-Chips der Fall sein. Bis dahin würde die nächste Generation planarer Bauteile auf den Markt kommen, die in der Herstellung noch kostengünstiger wären als die QLC-Bauteile der vorherigen Generation. Der QLC-Teil kam immer ein wenig zu spät, um wirtschaftlich sinnvoll zu sein.
Als 3D-NAND eingeführt wurde, änderten sich die Regeln. Erstens hat 3D-NAND ein Gate – das Speicherelement in einem Speicherchip –, das etwa 35 Mal so groß ist wie das von 15-nm-Planar-NAND. Dadurch kann 3D-NAND proportional mehr Elektronen speichern, was es viel einfacher macht, ein QLC-Bit in 3D-NAND zu erkennen als ein TLC-Bit auf 15-nm-Planar-NAND.
Zweitens verwenden die meisten 3D-NAND-Speicher eine Ladungsfalle (Charge Trap) für die Speicherung, im Gegensatz zum Floating Gate, das in planarem NAND-Flash verwendet wird. Eine Ladungsfalle speichert mehr Elektronen.
Schließlich ändert sich die Gate-Größe von 3D-NAND nicht von einer Schichtanzahl zur nächsten, so dass die Charakterisierung bei jedem neuen Prozessknoten für planares NAND für 3D-NAND nicht erforderlich ist. Die IT-Abteilung kann sich stattdessen auf den reibungslosen Übergang von MLC zu TLC zu QLC konzentrieren, und zwar fast unabhängig von der Anzahl der Schichten. Dies hat die Anbieter auch dazu veranlasst, die Möglichkeit von Penta-Level-Cell-NAND-Flash mit 5 Bits pro Zelle zu untersuchen – etwas, das bei planarem NAND unvorstellbar ist.
Abbildung 1
QLC wie SLC behandeln
Aus den oben genannten Gründen hat sich QLC-Flash zu einer praktikablen, herstellbaren und vernünftigen Wahl für Unternehmenssysteme entwickelt. Im Vergleich zu MLC und TLC ist QLC jedoch langsamer, weist mehr Bit-Fehler auf und bietet eine geringere Lebensdauer. Es gibt jedoch Möglichkeiten, diese Hindernisse zu überwinden.
Moderne Controller verwenden eine Reihe von Tricks, um die Tatsache zu verbergen, dass NAND-Flash eine unglaublich langsame Schreibgeschwindigkeit hat. Einer dieser Tricks besteht darin, den NAND-Flash-Chip anzuweisen, bestimmte Bereiche vorübergehend als SLC-Flash zu behandeln, so dass sie Daten viel schneller aufnehmen können, als sie es könnten, wenn sie sich wie QLC verhalten würden.
Der einzige Unterschied zwischen SLC-, MLC-, TLC- und QLC-Bit-Zellen besteht darin, wie viele Spannungen in sie einprogrammiert werden – sie sind alle die gleiche Art von Transistor. Das bedeutet, dass IT-Teams beliebig festlegen können, ob sie sich als SLC, MLC, TLC oder QLC verhalten, eine Fähigkeit, die die heutigen High-End-Controller bieten.
Damit und mit einer Reihe älterer Tricks kann ein Controller die Unterschiede zwischen der Geschwindigkeit und Lebensdauer von QLC und SLC-Flash verbergen.
Die Bedeutung von Controllern
Die Branche hat einen Punkt erreicht, an dem sich QLC-Flash lohnt, was zu einem großen Teil der Tatsache zu verdanken ist, dass ein preisgünstiger Controller diesen nicht ganz so leistungsstarken Flash-Speicher gut genug verwalten kann, um die Anforderungen von Unternehmenssystemen zu erfüllen.
Die Branche hat einen Punkt erreicht, an dem der Einsatz von QLC-Flash in Unternehmen sinnvoll ist.
Das Mooresche Gesetz hat auf die Logik den gleichen Effekt wie auf den Speicher: Die Preise sinken mit der Zeit unweigerlich. Das bedeutet, dass, wenn eine SSD zu einem bestimmten Preis einen 1-Dollar-Controller, einen 10-Dollar-Controller oder einen 100-Dollar-Controller enthält, die Verarbeitungsleistung dieses Controllers mit der Zeit exponentiell zunimmt. Dies führt automatisch dazu, dass SSDs auf die eine oder andere Weise eine bessere Leistung erbringen. Eine Möglichkeit, die Leistung zu verbessern, besteht darin, dass sie mehr NAND-Flash verwalten können als die Controller der vorherigen Generation.
Zu den weiteren Fortschritten der Controller gehört die Entwicklung der Fehlerkorrektur von Hamming-Codes über Reed-Solomon zu BCH und dann zu Low-Density-Parity-Check-Codes. Die Controller verwenden auch verbesserte Algorithmen und sogar KI, um die SSD zu verwalten und den Betrieb bei unterschiedlichen Arbeitslasten anzupassen und zu optimieren.
SSD-Nutzer in Unternehmen verstehen die Workloads
Seit dem ersten Erscheinen von SSDs auf dem Speichermarkt hat sich ein langsamer, aber stetiger Wandel vollzogen.
In den ersten Tagen wussten Administratoren nicht viel über ihre Arbeitslasten und wurden unangenehm überrascht, wenn eine SSD früher als erwartet abgenutzt war. Es gab keine Tools, die den Administratoren dabei geholfen hätten, zu verstehen, welche Art von Datenverkehr auf die SSD übertragen wurde. Erschwerend kam hinzu, dass Anwendungsprogramme und sogar Betriebssysteme nicht darauf optimiert waren, den Speicherplatz auf HDDs zu reduzieren, da HDDs nicht die Verschleißprobleme von SSDs hatten.
Die erste Reaktion darauf war die Forderung nach SSDs mit immer höherer Lebensdauer. Einige SSD-Hersteller verwendeten SLC-Flash für eine längere Lebensdauer, während andere Anbieter die Flash-Menge im Laufwerk verdoppelten oder sogar verdreifachten, so dass nur noch ein Drittel des Flashs für das System sichtbar war. Diese drastischen Schritte mögen die Kosten für SSDs stark erhöht haben, aber sie ermöglichten SSDs mit einer Ausdauer von bis zu 25 Schreibvorgängen pro Tag (Drive Write Per Day, DWPD).
Im Laufe der Zeit kehrte sich dieser Trend um: Administratoren begannen, ihre Arbeitslasten zu verstehen, Anwendungsprogramme und Betriebssysteme begannen, den Flash-Verschleiß zu berücksichtigen, und Zonen mit hoher Schreiblast wurden von denen mit wenigen oder keinen Schreibvorgängen getrennt, so dass Systeme mit mehreren SSDs einen gemischten Satz von SSDs verwenden konnten, die auf ihre Arbeitslast abgestimmt waren. Administratoren begnügten sich damit, Geld zu sparen, indem sie SSDs mit einer Spezifikation von 1 DWPD oder weniger kauften.
