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Eigenschaften und Nutzung: TLC und QLC im Vergleich
NAND-Flash-Speicher gibt es in verschiedenen Formen: SLC, MLC, TLC und QLC. TLC und QLC kommen am häufigsten zum Einsatz. Wir erklären die beiden Formate und ihre Einsatzoptionen.
Technologische Fortschritte bringen zahlreiche Verbesserungen und Innovationen und in vielen Fällen lösen sie veraltete Technologien ab, nicht nur in der IT: Flachbildschirme verdrängten Röhrentechnologie, Mobiltelefone machen Festnetzanschlüsse in vielen Fällen überflüssig und Streamingdienste überflügelten CDs und andere physische Musikträger. Märkte verändern sich, da neue Produkte neue Nachfragen schaffen und somit neue Marktplätze.
Es gibt aber auch die Situation, in denen ein Markt mit verschiedenen Produktgenerationen versorgt wird, die alle für sich einen eigenen Platz haben. Die zugrunde liegende Technologie ist bei allen gleich, aber die Eigenschaften, wie zum Beispiel Kosten, Performance, Zuverlässigkeit oder Lebensspanne, und Einsatzszenarien unterscheiden sich.
Ein Beispiel hiefür ist die Technologie von NAND Flash Memory, bei der sich aus der ersten Generation Single-Level Cell (SLC) die Folgegenerationen Multi-Level Cell (MLC), Triple-Level Cell (TLC) und jetzt Quad-Level Cell (QLC) entwickelt haben. Mit Penta-Level Cell (PLC) steht zudem die nächste Generation in den Startlöchern, die voraussichtlich bis 2026 in großen Stückzahlen geliefert werden kann.
SLC kann nur ein Bit pro Zelle speichern, ist dafür aber sehr leistungsstark. TLC und QLC speichern mehr Bits pro Zelle, können aber nicht die gleiche Leistung oder Lebensdauer erbringen. Der grundsätzliche Zielkonflikt zwischen Performance und Kapazität wurde bereits in einem früheren Artikel diskutiert. Hier geht es um die beiden Technologien mit der höchsten Dichte: QLC versus TLC.
Auf den ersten Blick scheint es, als ob QLC, mit 4 Bits pro Zelle, eine große Optimierung ist, die Flash-Speicherdichte um 33 Prozent erhöht wurde und TLC, mit 3 Bits pro Zelle, für SSD-Anwendungen mit hoher Kapazität vollständig ersetzen könnte. Die TLC-Technologie ist jedoch in Bezug auf Haltbarkeit und Leistung besser, so dass beide NAND-Typen eine Rolle spielen. Im Folgenden finden sich mehr Details zu der Debatte um QLC versus TLC und zu der Frage, ob man beide Varianten in seinen Speichersystemen haben möchte.
Die wichtigsten Unterschiede zwischen TLC und QLC
Alle NAND-Flash-Technologien verwenden Halbleiter-Speicherzellen anstelle von ferromagnetischer Polarisationsspannung, um Bits zu speichern, aber anders als Festplatten können Geräte mit Flash Memory 1, 2, 3 oder 4 Bits pro Speicherzelle aufnehmen. Je mehr Bits pro Zelle, desto höher ist die Speicherkapazität pro Chip. Angesichts der Vorteile von Multibit-Zellen und den technologischen Fortschritten, die manche Nachteile ausgleichen, dominieren TLC und QLC den Consumer-Markt und ersetzen oft SLC für schreibintensiven Workloads bei Speichersystemen für Unternehmen.
Die Zellen von Flash Memory nutzen elektrische Ladungen auf einer isolierten Platte oder Schicht, um den Stromfluss auf einem Transistoranzupassen. Die beiden besonders üblichen Strukturen sind Floating-Gate- und Charge-Trap-Zellen, die in beiden Fällen eine Speicherschicht umschließen – entweder ein leitendes Polysilicon im Fall eines Floating Gate oder ein isolierendes Silicon-Nitrid im Fall eines Charge Trap mit einer isolierenden Schicht für gespeicherte Elektronen. In beiden Fällen wirkt sich die auf dem Floating Gate gespeicherte Ladungsmenge auf die Spannung aus, die an ein Steuer-Gate angelegt werden muss, damit Strom durch den Transistorkanal fließen kann, das heißt, um den Transistoreinzuschalten. Bei SLC gibt es nur eine einzige Schwellenspannung, und der Transistor ist entweder ein- oder ausgeschaltet.
Anstelle einer einzigen Schwellenspannung besitzt TLC sieben Spannungen – plus den Nullzustand –, um die Speicherung von 3 Bits pro Zelle zu ermöglichen, das heißt:
- 000
- 001
- 010
- 011
- 100
- 101
- 110
- 111
Quad-Level Cell (QLC)
QLC-Technologie kann 16 Ladungszustände an seinem Floating Gate halten, die 16 Spannungsniveaus entsprechen, die 4 Bits pro Zelle ausmachen: 0000, 0001, 0010, ... 1111. Angesichts der geringen Netzspannungen – in der Regel 3,3 Volt – halbiert sich beim Wechsel von TLC zu QLC der Unterschied bei den Schwellenwerten zwischen den Bit-Ebenen, zum Beispiel von etwa 470 Millivolt auf 220 mV, was die Anfälligkeit für Rauschen, Prozessabweichungen und Chip-Fehler deutlich erhöht. Im Resultat sind QLC-Chips schwieriger herzustellen und weitaus anfälliger für Schaltungsrauschen und Fehler.
Die wesentlichen Unterschiede zwischen TLC und QLC bestehen in dem Konflikt zwischen Performance und Kapazität. Im Besonderen offeriert QLC folgende Vorteile:
- niedrigere Kosten pro Bit, das heißt pro Kapazitätseinheit
- höhere Dichte, das heißt mehr Kapazität bei dem gleichen physischen Grundriss
- weniger Flash-Geräte pro System der gleichen Kapazität, was die Total Cost of Ownership (TCO) verringern kann
Triple-Level Cell (TLC)
Die TLC-Technologie bietet andere Vorteile als QLC, darunter die hier aufgeführten:
- mehr Schreibvorgänge pro Zelle (Ausdauer) – obwohl, bedingt durch den Unterschied bei der Dichte, QLC-Laufwerke in der Regel eine höhere Anzahl an insgesamt geschriebenen Bytes aufweisen
- höhere Performance, besonders bei kleinen Block-Größen
- etwas bessere Zuverlässigkeit – obwohl sich die Lücke verringert dank verbesserter Algorithmen für Fehlerkorrekturen und der Fähigkeit von QLC-Geräten, eine größere Anzahl von Zellen für Redundanzen zu opfern, ohne dass die Gesamtkapazität wirklich darunter leidet
Da QLC einen großen Kapazitätsvorteil bietet, haben zahlreiche Hersteller von All-Flash-Arrays ihre Controller-Software und das Cache-Design angepasst haben, um die Nachteile der Technologie zu reduzieren oder zu eliminieren. Aus diesem Grund werden oft QLC-Systeme immer häufiger in Unternehmensrechenzentren eingesetzt.
Die Balance zwischen Durchsatz und Ausdauer
Wie bei anderen Technologien auch sind Memory-Speicher nicht perfekt. Für hohe Performance müssen Anwender Kapaztiätsgrenzen hinnehmen. Bei höherer Kapazität steht weniger Leistung zur Verfügung. Die Weiterentwicklung der NAND-Flash-Speicherzellentechnologie hat dazu geführt, dass die höhere Dichte durch mehr Bits pro Zelle mit einem langsameren I/O-Durchsatz, einer höheren Leselatenz und einer geringeren Ausdauer erkauft wurde.
Der Kompromiss zwischen Durchsatz und Ausdauer gegenüber Kapazität und Kosten ist der Grund, warum einige Speichersysteme immer noch SLC-Bausteine verwenden. Die Haltbarkeit von SLC-Geräten ist ideal für schreibintensive Transaktions-Workloads. Die neuen Anwendungsfälle bei Machine Learning, Big Data Analytics und Streaming Mediaführen jedoch zu einer wachsenden Anzahl von Workloads, bei denen vor allem Daten gelesen, anstatt geschrieben werden. Dies verringert die Bedeutung von Flash-Haltbarkeit: Die Speicherzellen der Technologien von Non-Volatile Memory (NVM) verschlechtern sich nicht bei Lese-, sondern nur bei Schreibprozessen.
QLC vs. TLC: Weniger Schreibprozesse erhöhen die Lebensdauer
Wie bereits erwähnt, haben TLC- und QLC-Memory eine geringere Lebensdauer. Um diese zu erhöhen sollte das Laufwerk nicht mehr als einen Drive Write Per Day (DWPD) verarbeiten. Eine DWPD-Einheit misst den gesamten Betrag an Daten, die auf ein Laufwerk geschrieben werden, im Verhältnis zu seiner gesamten Kapazität, und drückt die garantierte Haltbarkeit des Laufwerks für fünf Jahre aus. Ein Laufwerk mit einem Terabyte und einem DWPD kann durchschnittlich ein Terabyte an Schreibvorgängen pro Tag innerhalb von fünf Jahren aufnehmen.
Der Ansatz, weniger Schreibvorgänge zu unternehmen fördert den vermehrten Einsatz von QLC-Laufwerken. Sie besitzen wegen ihrer geringen Toleranzen bei den Ladeprozessen für jedes Bit in der Speicherzelle die kürzeste Haltbarkeit von allen aktuellen Flash-Geräten, zusammen mit engeren Abständen und dünneren Isolierungen bei modernen Flash-Herstellungsverfahren.
Beim Vergleich von DWPD-Messzahlen verschiedener Gerätetypen sollten IT-Verantwortliche vorsichtig sein, da es sich nur um relative Größenangaben handelt. Laut Hersteller Micron besitzt eine TLC-SSD mit 960 Gigabyte Kapazität und einem DWDP ähnliche gesamte Haltbarkeit bei einem besonderen Workload wie eine QLC-SSD mit 1,92 Terabyte und 0,5 DWPD. Obwohl der Messwert für QLC DWPD niedriger ist, ist die gesamte Datenmenge, die pro Tag geschrieben werden kann, die gleiche für beide Geräte. Damit ist das QLC-Gerät für Workloads, die fast ausschließlich Daten lesen, wegen seiner vermehrten Kapazität eine bessere Wahl.
Das bedeutet, dass Unternehmen ihre Anwendungen richtig bewerten müssen, um die entsprechende NAND-Technologie auszuwählen, die die korrekte Performance, Kapazität und Haltbarkeit bieten.
QLC und TLC in Kombination
QLC-Produkte sind für Lese-Workloads konzipiert und sollen nicht zwangsläufig TLC-Geräte ersetzen. Vielmehr geht es bei beiden Formaten darum, Festplatten abzulösen. In vielen Fällen können sich QLC und TLC ergänzen., wobei wobei QLC die Lücken zwischen TLC-Flash und magnetischen Festplatten füllt. NAND-SSDs nutzen sich im Gegensatz zu Festplatten bei Leseprozessen nicht ab. Die Haltbarkeit von QLC ist besser als die von Festplatten, vor allem bei Workloads, bei denen die Schreibmuster von Daten einen großen Anteil von umfangreichen sequenziellen Übertragungen umfassen.
Micron gibt an, dass sich QLC-Laufwerke insbesondere für leseintensive Workloads eignet, zumindest bis die Lese-/Schreibmischung ungefähr ein Verhältnis von 70/30 für geringe oder zufällige Datenübertragungen erreicht, während das Verhältnis etwa 50/50 bei Anwendungen mit großen sequenziellen Schreibvorgängen beträgt. Umgekehrt sind TLC-Laufwerke besser für schreibintensive Workloads geeignet, außer für die Minderheit von besonders intensiven transaktionalen Anwendungen, die eventuell ein SLC-Laufwerk erfordern, das mit fünf oder zehn DWPD zurechtkommt.
Die meisten Anwendungen in Unternehmen sind überwiegend Lesezugriffen ausgesetzt, so dass QLC und TLC hier für eine optimierte Leistung eingesetzt werden können.
Die Systemdesigns von QLC und TLC im Vergleich
Das Design von QLC-Geräten, die größere Speicherblöcke als TLC benutzen, eignet sich für I/O-Prozesse mit großen Blöcken für sequenzielle Datenübertragungen, aber nicht für kleine, zufällige (random) I/O-Prozesse, die typisch für viele Datenbanken sind.
Eine Methode, mit der Speichersysteme mit dieser Begrenzung zurechtkommen, besteht darin, ein Array von QLC-SSDs mit einem nicht-flüchtigen DIMM-Schreibpuffer (NVDIMM) zu koppeln, der Schreibverbindungen eingeht. Kleine zufällige Schreibprozesse werden so lange zwischengelagert, bis genug zusammenkommen, um einen Datenblock anzufüllen, und dann schreibt sie das System fortlaufend zu einem Disk-Volume oder zu einem Dateisystem als einen einzigen Transferprozess. Der NVDIMM Cache-Puffer kann mit batterie- oder kondensatorgestützten DRAM-Modulen, nicht-flüchtigen Optane Persistent Memory Modules oder sogar mit einem besonders haltbaren SLC- oder TLC-NVMe-Laufwerk betrieben werden.
Sowohl Microsoft als auch Western Digital besitzen detaillierte Ansätze für den Einsatz von QLC mit NVMe-Namespaces. Storage-Systeme für Unternehmen, die QLC verwenden, sind bereits verfügbar – so mit FlashArray//C von Pure Storage seit dem 4. Quartal 2019.
Mit messbaren Vorteilen bei Kapazität und niedrigeren Kosten pro Bit kann man mit QLC-Geräten rechnen, die sich in Rechenzentren von Unternehmen neben TLC- und SLC-Geräten ausbreiten werden. Speichersysteme werden dann auf intelligente Weise Workloads je nach ihren I/O-Eigenschaften und -Anforderungen aller Anwendungen verwalten.
Die speziellen Einsatzoptionen für TLC- und QLC-SSDs
Da QLC-NVM-Geräte leseintensive Anwendungen unterstützen, die große und kostengünstige Speicherkapazitäten benötigen, lassen sie sich unter anderem für folgende:
- Data Analytics für Data Lakes oder verteilte Anwendungen für Big Data wie zum Beispiel Hadoop
- AI-Anwendungen (Artificial Intelligence), die für Machineoder Deep Learning verwendet werden
- NoSQL-Datenbanken
- große Objektspeicher, die Ceph, Gluster, Lustre und andere verwenden
- Streaming Media und Netzwerke für Content Delivery.
TLC-SSDs und andere NVM-basierte Speichergeräte sind oft sehr gut geeignet für Anwendungen mit einem größeren Anteil von Schreib- gegenüber Leseprozessen, die mehr für traditionelle Unternehmensanwendungen als für den Ersatz von Festplatten geeignet sind. Zu den Anwendungsfällen gehören:
- allgemeine Datenbanken
- Human Resources (HR) und Finanzanwendungen
- CRM- und ERP-Anwendungen
- Aufgaben für Software-Entwicklung
TLC- und QLC-Geräte schließen sich nicht gegenseitig aus und können beide im gleichen Unternehmen eingesetzt werden – sogar auf den gleichen Servern –, um die jeweils besonderen Anforderungen von Anwendungen für Unternehmen zu erfüllen. Außerdem entwickeln sich NVM-Technologien konstant weiter, um Herstellungsprozesse zu verbessern und Zuverlässigkeit und Dauerhaftigkeit anzutreiben, zum Beispiel bei Fehlerkorrekturen (Error Correction) und Wear Leveling. Mit Penta-Level Cell werden NAND-Speichergeräte eine noch höhere Kapazität erreichen und vor allem für Hyperscaler-Umgebungen konzipiert sein, in denen auch überwiegend nur gelesen und verhältnismäßig geschrieben wird.
