Qlc или tlc что лучше
TLC vs. QLC SSD: В чем отличия?
Корпоративные и потребительские SSD – две базовые категории твердотельных накопителей, охватывающие широкий спектр профилей производительности. Из-за различий в том, как производители тестируют и оценивают свои продукты, не всегда легко сделать выбор на основе рекламируемых показателей. В сегодняшнем посте мы рассмотрим, как типы NAND влияют на производительность и почему это может иметь существенное значение для вашего следующего решения о покупке.
Типы флеш-памяти NAND
С тех пор, как на рынке появились твердотельные накопители SSD, их емкость становилась все больше и больше. Текущие отраслевые тенденции заключаются в снижении затрат при одновременном увеличении емкости хранения. Это привело к разработке более плотных ячеек памяти, постепенно приближающихся (пока еще не достигнув) по стоимости к традиционным жестким дискам.
Стремление к более дешевым и емким накопителям привело к сокращению твердотельных накопителей на основе SLC и MLC. TLC в настоящее время является мейнстримом и занимает самую большую долю рынка. QLC все еще относительно новая, но мы ожидаем, что ее низкая стоимость привлечет все больше покупателей, особенно с учетом того, что она часто используется в качестве замены жесткого диска.
Ячейки памяти NAND имеют только конечное число циклов стирания программ (P/E) (циклов записи), прежде чем они изнашиваются. Подробное описание выходит за рамки этого поста, поэтому просто отметим, что ячейки с более высокой плотностью обладают меньшей долговечностью, чем ячейки с низкой плотностью, например, MLC обычно работают дольше, чем TLC.
Хотя в целом понятно, что MLC будет быстрее, чем TLC, а TLC будет быстрее, чем QLC, новые твердотельные накопители содержат несколько методов оптимизации, которые помогают скрыть или свести на нет недостатки более медленной NAND. Отличным примером этого является “SLC-кэширование”, где неиспользуемые области диска будут действовать как псевдо-SLC NAND. Это обеспечивает очень хорошую производительность при более коротких рабочих нагрузках пакетного типа, как это часто бывает для большинства ПК и клиентских вычислительных сред.
Для этого есть диск
В отличие от сформировавшегося рынка жестких дисков, при покупке SSD вы найдете достаточно марок и моделей, чтобы вызвать у вас беспокойство, связанное с выбором устройства. Хотя потребительские накопители TLC и даже QLC при первом рассмотрении часто демонстрируют впечатляющие показатели, при рассмотрении в практических ситуациях выявляются истинные характеристики производительности этих накопителей.
Дата центр Интенсивное чтение/Начальный уровень
Потребитель
Самая низкая стоимость
Максимальная производительность
Мы используем CrystalDiskMark, популярную утилиту для измерения производительности накопителя. Более высокие глубины очередей (Q) и потоков (T) обычно приводят к повышению производительности, но большинство рабочих нагрузок потребителей связаны только с низкими глубинами очередей. ИТ-инфраструктура, включающая виртуальные машины и хранилище БД, обычно будет иметь более высокую глубину очередей и потоков.
Для тестирования передачи файлов мы будем использовать AJA System Test, инструмент, предназначенный в первую очередь для создателей контента, чтобы убедиться, что их системы хранения могут поддерживать прием потоков с высоким разрешением. Мы настроили его для записи в систему файла размером 64 ГБ, а затем чтения его обратно. Это по-прежнему небольшая рабочая нагрузка, но она будет характерна для пользователей, перемещающих большой файл.
Как и ожидалось, в коротких тестах серийного типа все группы дисков показали очень хорошие результаты. Основываясь на приведенных здесь показателях производительности, вы будете правы, если придете к выводу, что не увидите различий для их использования в реальном мире. Достаточные размеры SLC-кэша означают, что даже еще более медленные диски QLC отлично работают.
Производительность при 65% емкости
Предыдущие тесты проводились при пустых дисках. Это дало дискам с динамическим SLC-кешированием много места для работы. Мы заполнили каждый диск до 65%, дали им несколько минут для отдыха, а затем продолжили использовать AJA System Test для создания той же рабочей нагрузки записи и чтения объемом 64 ГБ.
По сравнению с полностью пустыми, теперь наши корпоративные диски работают в пределах погрешности. Потребительские диски TLC немного упали в производительности чтения, при этом сохраняя хорошую скорость записи, что не заметно при обычном повседневном использовании. Само собой разумеется, что регрессия производительности группы QLC здесь существенна.
Тест на заполненном диске
Мы использовали тест заполнения всего диска, чтобы получить стабильную производительность накопителей. Этот тест также показывает рабочие нагрузки дисков при использовании в качестве кэша SSD на загруженном NAS, поскольку они постоянно заполняются данными, к которым недавно осуществлялся доступ. Этот тест исчерпает все механизмы кэширования SLC на диске, так как не дает ему времени на восстановление.
Несмотря на то, что корпоративные накопители, которые мы использовали сегодня, в основном являются моделями начального уровня и рассчитаны на рабочие нагрузки с интенсивным чтением, они по-прежнему способны обеспечивать стабильную устойчивую производительность. Модели более высокого класса (более дорогие) обычно поддерживают более высокие скорости записи и рейтинги DWPD.
Подводя итоги
Всегда важно тщательно проверять заявленные показатели производительности SSD. Методы и условия тестирования у разных производителей различаются, для потребительских накопителей часто используются только периодические нагрузки. Несмотря на это, потребительские SDD по-прежнему являются экономически эффективными и позволяют значительно ускорить работу вашего ПК или NAS по сравнению с жесткими дисками. Однако обратите внимание, что как только вы начнете применять к ним более тяжелые и продолжительные рабочие нагрузки, их производительность снизится, иногда значительно.
Теперь вы можете понять, почему мы всегда выступали за использование в NAS дисков только корпоративного уровня. Помимо повышения надежности, стабильность производительности чрезвычайно важна, особенно когда вы предоставляете хранилище виртуальным машинам и другой критически важной инфраструктуре. Ведь переменная производительность в зависимости от рабочей нагрузки в таком случае неприемлема.
SSD на базе QLC — убийца жёстких дисков? На самом деле нет
SSD-накопители уже давно вышли из разряда дорогой и ненадежной экзотики и стали привычным компонентом компьютеров всех уровней, от бюджетных офисных «печатных машинок» до мощных серверов.
В этой статье мы хотим рассказать о новом этапе эволюции SSD — очередном повышении уровня записи данных в NAND: о четырехуровневых ячейках, хранящих по 4 бита, или QLC (Quad-Level Cell). Накопители, сделанные по этой технологии имеют большую плотность записи, это упрощает увеличение их объема, а стоимость оказывается меньше, чем у SSD с «традиционными» ячейками MLC и TLC.
Как и следовало ожидать, в процессе разработки потребовалось решить множество задач, связанных с переходом на новую технологию. Компании-гиганты успешно с ними справляются, а небольшие китайские фирмы ещё отстают, их накопители менее технологичны, но дешевле.
Как это происходило, появился ли новый «убийца HDD» и надо ли бежать в магазины, меняя все HDD и SSD прошлых поколений на новые — расскажем ниже.
В процессе эволюции накопителей менялся способ хранения информации, техпроцесс становился всё более тонким, увеличивалась плотность записи как в единичную ячейку, так и на чип. В контроллерах совершенствовались алгоритмы, скорость записи приближалась к скорости чтения, а затем они стали быстро расти. Сегодня равномерность распределения обращений к ячейкам памяти NAND достигла некоего оптимума, надежность хранения информации многократно выросла и почти сравнялась с этим показателем у традиционных HDD. В процессе стремительного развития технологий, SSD стали выпускаться в самых разных форм-факторах.
Сейчас на рынке представлен огромный выбор накопителей от самых разных компаний, как первого эшелона А-брендов, так и от китайских фирм, которые постарались, чтобы SSD хватило на всех
Что нам предлагает технология QLC?
Количество битов, записанных в одной ячейке NAND, определяется тем, сколько уровней заряда находится в транзисторе с плавающим затвором. Чем их больше, тем больше битов может хранить один транзистор. В этом и заключается главное отличие технологии QLC от «предыдущей» TLC — количество битов в одной ячейке выросло с трёх до четырёх.
С увеличением количества уровней заряда очень сильно меняются характеристики накопителя: падает скорость доступа, уменьшается надежность хранения информации, но при этом возрастает ёмкость, а соотношение цена/объем становится привлекательнее для покупателей. Соответственно, чипы, построенные по технологии QLC, дешевле, чем предыдущее поколение TLC, в которых хранится по три бита в одной ячейке. В то же время QLC менее надежны, потому что вероятность выхода ячейки из строя существенно увеличивается с каждым новым уровнем.
В дополнение к сложностям одной отдельно взятой ячейки, возникают другие. Вследствие того, что чипы памяти делаются по технологии 3D NAND, они представляют собой трехмерные массивы ячеек, плотно упакованных один над другим, и ячейки в соседних «этажах» взаимно влияют друг на друга, портя жизнь своим соседям. К тому же современные чипы содержат больше слоев, чем изделия предыдущих поколений. Например, одна из технологий повышения плотности памяти подразумевает увеличение количества слоёв в кристалле с 48 до 64. В рамках другой технологии производится «спайка» двух 48-слойных кристаллов, доводя общее количество до 96, что налагает очень высокие требования к совмещению границ в этом «бутерброде», становится больше точек отказа и растёт доля брака. Несмотря на сложность процесса, такая технология получается выгоднее, чем пытаться наращивать слои в одном кристалле, потому что отбраковка при увеличении числа слоев растет нелинейно, и невысокий выход пригодных чипов обошелся бы слишком дорого. Справедливости ради надо заметить, что только компании высшего эшелона могут позволить себе такие разработки. Некоторые китайские фирмы, производящие чипы, так и не перешли на 64-слойные кристаллы, а технологией «склеивания» двух 48-слойных кристаллов пока обладают только такие гиганты электроники, как Intel и Micron.
3D NAND
Еще одна новинка, используемая в накопителях нового поколения А-брендов — перенос управляющей и питающей обвязки под массив ячеек. Благодаря этому уменьшилась площадь кристаллов и стало возможно размещать по четыре банка памяти там, где раньше помещалось только два. А это, в свою очередь, позволило распараллелить запросы и увеличить скорость работы с памятью. Кроме того, меньшая площадь кристаллов позволила увеличить емкость накопителей.
Возросшая плотность ячеек помогает бороться и с более быстрой деградацией памяти. С этой задачей разобрались «в лоб», с помощью еще большей избыточности массива ячеек.
Прототипы QLC-чипов показали прошлым летом, а первые обещания о выпуске SSD по новой технологии прозвучали в начале этого года. Летом практически все фирмы производящие накопители, сообщили о том, что они уже готовы к массовому выпуску, озвучили названия новых моделей, их цены и характеристики. Сейчас уже можно приобрести SSD с QLC-чипами. Большинство моделей выпускается в форм-факторе M.2 и 2.5″, с емкостями 512 гигабайт, 1 и 2 терабайта.
Позиционирование QLC-накопителей
Для начала стоит честно признать, что накопители, созданные по новой технологии QLC, категорически не годятся для серьёзных/критических задач. И причиной тому целый ряд технических трудностей, которые приходится решать инженерам как крупных корпораций-изобретателей, так и китайских «последователей».
К примеру, на сайте Intel новые SSD предлагаются только в сегменте для домашних компьютеров среднего уровня. Особенно оправдано их применение в малопроизводительных нетбуках, в чьи задачи не входят игры или работа с базами данных, а стоимость, наоборот, очень важна. Подобные «печатные машинки» становятся всё более востребованы. Для работы в сегменте «энтерпрайз» предлагаются исключительно накопители с чипами MLC и TLC.
Если сравнивать характеристики брендовых SSD (дешёвые китайские рассматривать нет смысла, недорогие контроллеры убивают все характеристики), то средняя цена QLC-накопителей примерно на 20-30 % ниже MLC, при одинаковом форм-факторе и объёме.
Скорость доступа. Для модели с чипами QLC она составляет: на чтение до 1500 Мб/сек, на запись до 1000 Мб/сек. Для модели на чипах TLC — 3210 Мб/сек и 1625 Мб/сек соответственно. Скорость записи у QLC-накопителя в полтора раза ниже, а чтения — в два. Разница существенная, но для серфинга в инете и редактирования текстов — более чем достаточная.
TBW (Total Bytes Written). Критичный параметр, характеризующий ресурс SSD. Он говорит о том, какое максимальной количество терабайтов можно записать на накопитель. Чем TBW выше, тем более живучий диск и тем дольше он сможет проработать без сбоев. У всех моделей серии 760p ресурс составляет 288 TBW, а у 660p — всего 100 TBW. Практически трехкратная разница.
DWPD (Drive Writes Per Day). Этот показатель надёжности говорит о том, сколько раз в день можно перезаписать весь накопитель целиком, и рассчитывается по формуле:
DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5
где 0,512 — объем накопителя в терабайтах;
365 — количество дней в году;
5 — количество лет гарантии.
DWPD более объективен, потому что при расчете учитывается время, в течение которого производитель обязуется бесплатно решать проблемы с накопителем. Для QLC-модели DWPD равен 0,1, а для TLC-моделей — 0,32. Другими словами, в данном примере каждый день QLC может полностью перезаписывать 50 Гб — это его штатный режим работы. Учитывая, что при той же цене ёмкость QLC-накопителей выше MLC, то средний пользователь «печатной машинки с интернетом» вряд ли успеет выработать этот ресурс.
Эти два устройства — яркий пример того, как инженерам приходится решать множество технических сложностей, которые в QLC проявились ярче, чем в TLC. В частности, у QLC ниже скорость доступа на запись и чтение, ниже ресурс, выше коэффициент WAF (подробнее о нём — ниже). Давайте рассмотрим подробнее основные трудности и методы их решения.
Скорость доступа
Начнём с одной из наиболее заметных для пользователя особенностей QLC SSD — снижения скорости записи при заполнении кэша накопителя. Поскольку скорость доступа у QLC и так сравнительно невысокая, то производители стараются увеличить её с помощью кэширования. В SSD для этого используется собственный массив ячеек диска, которые переводятся в однобитный режим работы — SLC.
Существует несколько алгоритмов кэширования. Зачастую под кэш выделяется небольшая часть ёмкости самого накопителя — в среднем, от 2 до 16 Гб, в некоторых моделях может быть до нескольких десятков гигабайтов. Недостаток метода в том, что если при работе компьютера идет интенсивный обмен данными, то небольшой объем кэша может быстро заполнится и скорость чтения/записи резко упадет.
Более технологичные компании используют продвинутые контроллеры, которые умеют динамически переводить часть ячеек в быстрый режим SLC, в этом случае объем кэша зависит от общего объема накопителя и может достигать 10 %. В современных SSD используются оба метода: сравнительно небольшое количество статического кэша дополняется динамически выделяемым объемом, который получается в разы больше. Чем больше свободного места, тем больше размер кэша и тем сложнее исчерпать его объем. Логично, что более объемный накопитель имеет кэш большего размера, а значит в нем динамический кэш будет работать эффективнее.
Наглядная зависимость размера SLC-кэша от объема накопителя и свободного места на нем.
Ошибки чтения
Усложнение архитектуры QLC по сравнению с TLC привело и к росту количества ошибок чтения данных. Для их исправления потребовалось внедрить принудительное использование алгоритмов ECC (Error correction code, коды коррекции ошибок). С их помощью контроллер самостоятельно исправляет почти все ошибки чтения данных. И разработка эффективных алгоритмов коррекции — одна из сложнейших задач при создании QLC-накопителей, поскольку требуется не только обеспечить высокую эффективность коррекции (выражается в количестве исправленных битов на 1 Кб данных), но и как можно меньше обращаться к ячейкам памяти, чтобы экономить их ресурс. Для этого производители внедряют более производительные контроллеры, но главное — задействуют мощные научно-статистические аппараты для создания и совершенствования алгоритмов.
Ресурс
Особенности архитектуры QLC не только снижают надёжность, но и приводит к явлению «усиления записи» (Write amplification, WA). Хотя корректнее было бы говорить «умножение записи», однако вариант «усиление» пока что больше распространён в Рунете.
В чём суть WA? В SSD физически с ячейками выполняется гораздо больше операций чтения/записи, чем требуется для того объёма данных, непосредственно принятого от операционной системы. В отличие от традиционных HDD, у которых очень небольшой «квант» перезаписываемых данных, данные на SSD хранятся довольно большими «страницами», обычно по 4 КБ каждая. Также есть понятие «блок» — минимальное количество страниц, которые могут быть перезаписаны. Обычно блок содержит от 128 до 512 страниц.
Например, цикл перезаписи в SSD состоит из нескольких операций:
Степень «усиления записи» выражается коэффициентом WAF (Write amplification factor): отношение фактически перезаписываемого объёма данных к объёму, который требуется перезаписать. В идеале, когда не используется компрессия, WAF равен 1. Реальные же значения очень сильно зависят от разных факторов, например, от размера перезаписываемых блоков и алгоритмов используемых в контроллерах.
А поскольку ячейки QLC гораздо чувствительнее к количеству циклов перезаписи, то размер WAF стал намного важнее, чем для TLC и MLC.
Какие ещё факторы негативно влияют на WAF в QLC-накопителях?
Вот пример «усиления записи» из-за работы механизмов wear leveling и сборки мусора:
Например, с помощью over-provisioning (OP) — выделяя для служебных нужд часть объёма, который не доступен пользователю.
OP = (физическая ёмкость — доступная пользователю ёмкость) / доступная пользователю ёмкость
Чем больше выделяемая область, тем больше свободы у контроллера и быстрее работа его алгоритмов. Например, раньше под OP выделяли разницу между «реальным» и «маркетинговым» гигабайтом, то есть между 10 9 = 1 000 000 000 байтов и 2 30 = 1 073 741 824 байтов и, что равняется 7,37 % от общего объёма накопителя. Есть и ряд других ухищрений для выделения служебного пространства. Например современные контроллеры позволяют динамически задействовать под OP весь текущий свободный объём накопителя.
Примерная зависимость WAF от размера OP:
Позволяет снизить WAF и алгоритм разделения статических и динамических данных (Separating static and dynamic data). Контроллер вычисляет, какие данные перезаписываются часто, а какие преимущественно читаются, или вообще не изменяются, и соответствующим образом группирует блоки данных на диске.
К прочим инструментам уменьшения WAF в QLC-накопителях относятся методики последовательной записи (очень примерно это можно сравнить с привычной нам дефрагментацией HDD). Алгоритм определяет блоки, которые могут принадлежать одному большому файлу и не требуют обработки сборщиком мусора. Если операционная система даст команду на удаление или изменение этого файла, то его блоки будут стираться или перезаписываться целиком, не включаясь в цикл WA, что повышает скорость и меньше изнашивает ячейки памяти. Наконец, свой вклад в борьбу с WA вносит компрессия данных перед записью и дедупликация.
Как вы уже поняли, надёжность и ресурс QLC-накопителей зависит далеко не только от используемых чипов памяти, но и от производительности контроллера, а главное — от продвинутости всевозможных алгоритмов, заложенных в контроллер. Многие компании, даже крупные, покупают контроллеры у других фирм, специализирующихся на их выпуске. Небольшие китайские фирмы пользуются недорогими и простыми контроллерами прошлых поколений, руководствуясь не качеством и новизной алгоритмов, а ценой. Крупные компании не экономят на железе для своих SSD и выбирают контроллеры, обеспечивающие накопителю долгую жизнь и бо̒льшую скорость работы. Лидеры среди производителей контроллеров для SSD постоянно меняются. А ведь кроме сложных контроллеров огромную роль играют и алгоритмы прошивок, которые крупные производители разрабатывают самостоятельно, не доверяя это важное дело сторонним компаниям.
Выводы
Главное преимущество QLC перед накопителями на TLC- и MLC-чипах заключается в том, что в тот же физический объём удалось поместить ещё больше памяти. Так что QLC не вытеснят с рынка предыдущие технологии, и уж тем более не станут конкурентами для HDD.
Разница между QLC и TLC по скорости будет заметна при запуске тяжелых программ и при интенсивном обмене данными. Но обычный пользователь этого может не заметить, потому что в компьютерах того уровня, для которых рекомендуются QLC-накопители, программа дольше ожидает действий пользователя, чем работает с данными.
Можно смело сказать, что ниша недорогих накопителей для компьютеров небольшой производительности, когда не имеет смысла переплачивать за повышенную надежность или максимальные скорости записи и чтения, успешно занята. В таких компьютерах QLC SSD может быть единственным накопителем, на котором будут установлены система и необходимые программы, а также храниться данные пользователя. А в энтерпрайзе — революции не произошло, здесь по прежнему пока будут отдавать предпочтение более надёжным TLC и медленным, но неприхотливым HDD.
Однако технологии не стоят на месте, уже в этом году производители обещают начать переход на техпроцесс в 7 нм, а в перспективе, в 2021 году и позже — грядут техпроцессы 5 и 3 нм. Совершенствуются алгоритмы контроллеров, некоторые фирмы обещают «умные» SSD-накопители, которые будут в несколько раз быстрее, при некоторых специфичных сценариях использования, планируется развитие технологий 3D NAND.
Так что, подождем пару лет и посмотрим, что ещё смогут нам предложить производители.
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston обращайтесь на официальный сайт компании.
Ячейки памяти в SSD. Как работают, почему ломаются? SLC, MLC, TLC, QLC
Для данной статьи существует видоеверсия с большим количеством анимаций, рекомендую к просмотру именно её, вместо текстовой версии:
Принципы работы ячеек памяти, определение носителя информации, принципы считывания состояния ячейки памяти
Каждая ячейка памяти — это полевой транзистор с изолированным затвором, но не простой, а хитрый. Со сдвоенным затвором. Если кто не в курсе общая суть полевого транзистора заключается в следующем:
У нас есть исток и сток, проще говоря вход и выход, и между ними область через которую может проходить заряд от стока к истоку, и есть ещё одна отделённая область от этих структур диэлектриком, которая называется — затвор. И если подать заряд на затвор, то затвор своим электромагнитным полем начинает влиять на легированную часть транзистора между стоком и истоком и этим перекрывает возможность протекания тока между ними.
Бывают конструкции наоборот, что если не подавать заряд на затвор, то ток от стока к истоку не идёт, а если подавать — то идёт. Но общая суть — это то, что затвор — это типа ручки у крана. Когда хочешь открываешь, когда хочешь закрываешь. Ну либо замок у ворот, собственно термин «затвор» как бы и намекает, что мы им можем затворять или отворять ток между стоком и истоком. Наиболее классический вариант для ячеек памяти — это когда без подачи питания на затвор — между стоком и истоком ток не идёт, а при питании плюсом на затвор — ток — идёт. Очень удобно в части управления, но как этим сохранять информацию — не понятно. И для того чтобы сохранять информацию была придумана модификация с двумя затворами. Первый, грубо говоря, внешний. Простой обыкновенный, а второй — внутренний, хитрый, называемый «плавающим». А хитрость его в том, что он со всех сторон окружён изолятором.
То есть если поместить в него какой-то заряд, то этот заряд сам никуда не денется. И тут начинается самое интересное. Предположим, что заряда на плавающем затворе — нет. В таком случае — транзистор работает ровно так же, как и в случае когда второго затвора не было вообще. То есть не подаём заряд на затвор ток не идёт — подаём — ток идёт. Но если в плавающий затвор подать отрицательный заряд, то логика работы меняется. Если не подавать заряд на обычный затвор, то ток идти не будет, но если падать положительный заряд, то этот заряд будет компенсирован отрицательным зарядом плавающего затвора и в сумме они не дадут необходимого заряда чтобы ток через транзистор пошёл. То есть в случае активации транзистора ток через него всё равно не идёт. Иными словами — в случае подачи положительного заряда, если на плавающем ничего нет, то транзистор будет открыт, а если заряд есть — то транзистор будет закрыт. А теперь вспоминаем, что заряд в плавающем затворе никуда не девается, в том числе и в моменты когда питание на весь накопитель не подаётся вообще. То есть в любой момент времени мы можем по поведению тока сток исток понять есть ли заряд в нашем хитром затворе или нет. То есть прочитать заранее сохранённое состояние нашего транзистора, который стал уже вовсе и не транзистором, а ячейкой памяти.
Запись данных в ячейку памяти и причины ограниченности ресурса работы SSD
С запоминанием информации в целом понятно. С тем как понять что записано надеюсь тоже понятно. Остаётся понять только то, как осуществляется зарядка и разрядка плавающего изолированного затвора. То есть изменение состояния самой ячейки памяти. Иными словами — запись и стирание данных. И тут всё в общем-то не так сложно. Общая суть в том, что если приложить достаточное напряжение — то электроны могут пройти через диэлектрик, в нашем случае диоксид кремния.
При подаче высокого напряжения на Затвор и Сток электроны вынужденно проходят в область плавающего затвора
И имея вокруг нашего хитрого затвора достаточную разность потенциалов можно в него насильно впихнуть электроны, или наоборот высосать из него электроны, тем самым придав ему некий заряд, который сам по себе, без этих повышенных напряжений, никуда уже не денется долгие годы. Собственно таким образом и производится запись в ячейки памяти.
Подача отрицательного заряда на затвор «выталкивает» электроны из плавающего затвора и они притягиваются на исток
Проблема только в том, что эти насильственные действия над транзистором на повышенном напряжении разрушают диоксид кремния вокруг затвора раз за разом при каждом прохождении через него заряда.
Что ведёт к деградации свойств, и в конечном итоге к выходу ячейки памяти из строя. То есть при многократном воздействии на изолированный плавающий затвор для изменения его заряда — разрушается транзистор. То есть для транзистора существует предельное количество циклов изменения состояния этого затвора перед тем как ячейка памяти перестанет работать должным образом. Естественно разработчики накопителей в курсе проблемы, это всё учитывается в создаваемых контроллеров памяти, которые стремятся равномерно производить износ всего накопителя, вводятся резервные области для замены вышедших из строя ячеек, есть и другие софтовые оптимизации уже и на уровне операционных систем позволяющие максимально редко производить ненужные перезаписи.
Многобитные ячейки памяти. MLC, TLC, QLC. Принципы работы и отличия от однобитных. Причины падения скорости от увеличения битности.
С точки зрения работы транзистора наш дополнительный затвор позволяет сдвигать сток затворную характеристику. И кардинальное наличие заряда в плавающем затворе сдвигает эту характеристику так далеко, что рабочие напряжения для транзистора его не открывают.
Отрицательные заряды сильно смещают напряжение Затвор-исток при котором начинает идти ток сток-исток
И в показанной схеме у нас есть некий широкий диапазон напряжений на затворе который нам позволяет понять что записано условно 0 или 1. То есть мы сохраняем 1 бит информации.
И описанный метод записи и чтения — полностью цифровой. То есть транзистор либо проводит ток, либо — нет, и это мы можем интерпретировать условно в то, что записан условно 0 или 1.
И так работает SLC память, SLC расшифровывается как «Single-Level Cells», то есть одноуровневая ячейка. Величины зарядов, напряжения и прочее параметры плавающего затвора — не имеют особого значения значения, как-то произведена перезарядка затвора, как-то проводит транзистор и в целом это всё надёжно и просто работает. Однако при разных градациях зарядов на плавающем затворе — напряжения на которых начинает открываться транзистор разные. И если фиксировать не только факт проводимости транзистора, а характеристику проводимости — то можно более точно и контролируемо заряжая плавающий затвор получить больше информации при записи в одну ячейку.
Набор стоко-затворных характеристик для разного уровня заряда плавающего затвора
И это уже не цифровая запись, а аналоговая, то есть если мы зарядили чуть-чуть плавающий затвор, то и сместили мы характеристику чуть-чуть и у нас транзистор открывается если подать на затвор напряжение чуть выше чем минимально нужное, если зарядить плавающий затвор чуть сильнее, то и открыть транзистор будет ещё сложнее и т.д. В теории можно допустить бесконечное количество градаций уровней записей. Сейчас наверное некоторые из вас в шоке, но ячейки памяти в MLC, TLC и QLC SSD накопителях — это аналоговые носители информации, а не цифровые. Потому что именно таким образом и производиться запись многобитных ячеек памяти. Ячейка всё равно может сохранить только одно состояние записи, но если для однобитных ячеек записью было наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе, то в многобитных ячейках под записью понимается не факт наличия или отсутствия заряда — а величина заряда. И уже эта величина при чтении должна быть оцифрована таким образом, чтобы это можно было записать в более чем один бит информации. И при оцифровывании любого аналогового сигнала емкость его данных в цифровом виде зависит от получаемой дискретности уровней распознавания сигнала. То есть чем больше градаций сигнала можно распознать, тем выше ёмкость данных аналогового сигнала. В текущий момент дискретизация сигнала производиться не очень сильная.
Для двух битов данных нужно распознать 4 уровня величины сохранённого заряда,
для трёх бит нужно распознать 8 уровней величины заряда,
и для 4-х бит нужно распознавать до 16 уровней заряда.
И распознование производится по смещению характеристики открытия транзистора. Грубо говоря, если у нас разбит весь диапазон тестирования открытия транзистора на 16 диапазонов, то надо по очереди тестировать каждое напряжение на затвор и зная при каком из них у нас в достаточной степени открылся транзистор — такой уровень и считать записанным в этом транзисторе. И просто каждой градации этих напряжений даются порядковые номера которые и есть цифровая интерпретация уровня заряда плавающего затвора. И для 16 градаций или для QLC памяти — это 4 бита. Некоторые компании грозятся сейчас выпустить 5 битные ячейки.
Как вы понимаете именно по технике разницы с 4-х битными не будет, но градаций будет уже не 16, а 32. То есть надо очень точно попадать в нужный диапазон заряда при наполнении плавающего затвора, и гораздо сложнее становится процесс считывания сигнала, вернее процесс оцифровки уровня заряда плавающего затвора. Естественно при этом снижается скорость работы с памятью. Кроме того — напомню, что процесс наполнения затвора зарядом — это аварийный для транзистора режим работы, и этот аварийный режим надо ещё очень точно контролировать, чтобы действительно был помещён нужный заряд, а не чуть больше или чуть меньше, потому что если заряд не попал в строгие рамки, то при его интерпритации он может дать другие цифровые значения. И, естественно, чем больше градаций — тем сложнее попасть в нужный диапазон. И в многобитных ячейках — неверная запись не является чем-то очень редким, поэтому для записи всегда требуется контроль на ошибки, что отнимает время, снижая скорость работы, вдобавок в случае ошибочной записи требуется перезапись ячеек в странице в которой была произведена ошибочная запись, что, как вы понимаете, ещё и снижает ресурс.
Причины снижения ресурса работы накопителей, запись накопителей с уплотнением данных.
Но не только этим снижается ресурс записи на многобитных ячейках. Как вы могли понять из теории — аппаратных различий для MLC, TLC или QLC памяти — нет. Меняется только процесс интерпретации записи, который задаётся программно. Иными словами если контроллер накопителя это позволяет, то QLC можно записывать в более простых для записи TLC, MLC или SLC режимах. Что сейчас активно и делается, хотя не на всех накопителях, но если пару лет назад было редкость — перезапись накопителей с уплотнением, то сейчас редкость когда такого не происходит. Работу уплотнения записи отлично было видно в тестах накопителей, когда при полной последовательной записи скорость падала в несколько градаций.
Пример «Ступенчатой» скорости записи, когда она падает градациями несколько раз
Разберёмся в том, что при этом происходило с накопителем.
Вначале накопитель занимал весь свой объём записывая всё в однобитном режиме. То есть абы какой заряд уже абы как смещает стоко-затворную характеристику, но этого достаточно чтобы записать один бит на ячейку. И в таком режиме весь объём ячеек быстро заканчивается. По данным о диске он ещё записан совсем чуть-чуть, но на самом деле он полностью забит данными. И для дальнейшего записывания накопитель начинает уплотнять запись. Но происходит это исключительно перезаписыванием. То есть надо во временное место скопировать данные страницы, далее затереть записанные данные, то есть вытащить из плавающих затворов заряды, дальше взять новый кусок информации, собрать его со старым куском информации и записать в те же ячейки, но уже не абы как, а, допустим, в MLC режиме, то есть с 4-мя градациями уровней заряда плавающих затворов. Далее накопитель так же заполняется полностью уже в режиме MLC. Если надо продолжить запись, а в MLC режиме место опять закончилось, то процесс уплотнения, то есть перезаписи в более плотном формате производиться уже в TLC режиме. Далее ещё может быть произведена запись в QLC режиме. Подобный механизм работает и в случае если вам хватило места до уплотнения. Как только вы перестаёте заполнять накопитель он автоматически начинает уплотнять запись, чтобы в случае необходимости он мог опять кратковременно вести запись в однобитном режиме используя свободный остаток. Хотя ещё раз напомню, что не все накопители так делают. В некоторых выделен фиксированный объём для быстрой записи и дальше накопитель заполняется уже с финальной плотностью.
Естественно такое огромное количество травмирующих ячейки перезаписей а также перезаписей из-за ошибок — крайне негативно сказывается на долговечности работы ячеек. Кроме того при большей плотности записи для изменения одного и того же объёма данных записанных случайным образом потребуется перезаписать больше страниц накопителя. Иными словами — ресурс накопителей от увеличения плотности резко падает и, в общем-то, причин на это аж несколько.
Надеюсь теперь полученные знания сделают для вас тесты накопителей увлекательнее.