QLC vs. TLC: Eigenschaften und Einsatzoptionen

Grundlegende Unterschiede zwischen QLC und TLC

Käufer von Flash Memory stehen sofort vor der Wahl der zugrundeliegenden Speichertechnologie. Alle nutzen in der Tat 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 ausgeglichen haben, dominieren TLC und QLC heute den Consumer-Markt und ersetzen sehr schnell SLC für fast alle schreibintensiven Workloads bei Speichersystemen für Unternehmen.

Befassen wir uns etwas näher mit den Unterschieden zwischen TLC und QLC. Die Zellen von Flash Memory nutzen elektrische Ladungen auf einer isolierten Platte oder Schicht, um den Stromfluss auf einem Transistor anzupassen. 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 Transistor einzuschalten. 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

QLC

In ähnlicher Weise kann QLC 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 liefert QLC diese Ergebnisse:

• 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

TLC

Im Gegensatz dazu bietet TLC folgendes:

• 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
• leicht 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

Der Kapazitätsvorteil von QLC ist so beeindruckend, dass viele Hersteller von All-Flash-Arrays (AFAs) ihre Controller-Software und das Cache-Design angepasst haben, um ihre Nachteile abzumildern oder sogar ganz zu eliminieren. Deshalb sollte man nicht überrascht sein, dass eine wachsende Anzahl von AFAs für Unternehmen QLC bereits als bevorzugte Technologie auswählen. Zum Beispiel bevorzugen Systeme wie Dell EMC PowerStore die Technologie von NVMe-TLC-SSDs, während andere Systeme wie zum Beispiel PureStorage Pure FlashArray//C auf All-QLC-Arrays setzen.

Der Kompromiss zwischen Durchsatz und Ausdauer

Die Memory-Technologie gibt einem selten etwas umsonst. Die Grenzen in eine bestimmte Richtung zu verschieben, bedeutet in der Regel den Verlust von Features und Performance bei einer anderen Dimension. 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 versus TLC: Der Trend geht in Richtung weniger Schreibprozesse pro Tag

Laut der Research-Firma Forward Insights waren letztes Jahr weniger als 20 Prozent der verkauften SSDs mit mehr als einem Drive Write Per Day (DWPD) ausgelastet. Schätzungen bis zum Jahr 2023 gehen davon aus, dass 85 Prozent der verkauften Laufwerke zu diesen Modellen mit geringer Haltbarkeit und einem oder weniger DWPD gehören werden. 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 Trend zu weniger Schreibvorgängen unterstützt die Verbreitung 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.

Man sollte vorsichtig sein, wenn man Messzahlen von DWPD mit anderen Gerätetypen vergleicht, da es sich nur um eine relative Größe handelt, die eine Funktion der gesamten Laufwerkskapazität darstellt. Wie Micron Technology nachgewiesen hat, besitzt eine TLC-SSD mit 960 Gigabyte und einem DWPD eine 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.

Die zugrundeliegende Botschaft ist einfach: Man sollte die Anwendung richtig einschätzen, die der Speicher unterstützen soll, und dann die nichtflüchtige Speichertechnologie mit der Performance, Kapazität und Haltbarkeit auswählen, die den Anforderungen der Anwendung am besten entspricht.

Wie sich QLC und TLC gegenseitig ergänzen

Der QLC-Markt konzentriert sich mehr auf Lese-Workloads. Es wird nicht versucht, TLC-Geräte zu ersetzen, sondern eher Festplatten abzulösen. So jedenfalls die Begründung von Micron, weiter beide Gerätearten zu produzieren. Micron argumentiert, dass sich TLC und QLC ergänzen, wobei QLC die Lücken zwischen TLC-Flash und magnetischen Festplatten füllt. In der Tat erfüllt Micron diesen Anspruch, weil SSDs sich nicht beim Lesen von Daten abnutzen, während Festplatten genau das tun. Die Haltbarkeit von QLC ist bei Workloads der von Festplatten überlegen, bei denen die Schreibmuster von Daten einen großen Anteil von umfangreichen sequenziellen Übertragungen umfassen.

Man kann genauer die Workload-Eigenschaften beschreiben, die QLC- gegenüber TLC-Laufwerken auszeichnen, wenn wir uns die I/O-Muster von verschiedenen Anwendungen anschauen. Den Micron-Modellen entsprechend sind QLC-Laufwerke sehr gut geeignet für leseintensive Workloads, 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.

Dieses Konzept verstärkt die Idee, die Speichertechnologie mit der Anwendung zu verbinden. Zum Glück besitzen viele der Anwendungen von Unternehmen, die ein besonders schnelles Wachstum und hohe Verwendungsraten aufzeigen, ein Übergewicht der Lese- gegenüber den Schreibprozessen von Daten.

Das System-Design von QLC gegenüber TLC

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.

Besondere Anwendungsfälle für QLC- und TLC-SSDs

Schließlich sind QLC-NVM-Geräte wie zum Beispiel SSDs bestens geeignet für besonders leseintensive Anwendungen, die sehr hohe und kosteneffiziente Speicherkapazitäten verlangen. Zu diesen gehören:

• Data Analytics für Data Lakes oder verteilte Anwendungen für Big Data wie zum Beispiel Hadoop
• AI-Anwendungen (Artificial Intelligence), die für Machine oder 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. Dies sollten auf jeden Fall nicht die letzten Worte zu NVM-Anwendungsfällen sein.