TLC vs QLC NAND: choisissez la meilleure technologie de mémoire pour votre application de stockage

Cet article fait partie de la série Technology Insight, rendue possible grâce au financement d'Intel.
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Au cas où vous ne l'auriez pas remarqué, les disques SSD deviennent de plus en plus gros et plus rapides. En 2008, un SSD d'entreprise à la pointe de la technologie offrait une capacité de 32 Go et déplaçait des fichiers jusqu'à 250 Mo / s. Aujourd'hui, une version 32 To peut lire les données séquentiellement à 3 200 Mo / s. C'est une augmentation de taille de 1000x et une accélération de plus de 10x.

Ces gains incroyables sont rendus possibles en stockant plus de bits de données dans chaque cellule de mémoire, puis en ajustant plus de cellules de mémoire dans chaque puce flash NAND. Par exemple, le X25-E le flash de cellule à un niveau contient un bit dans chaque cellule; le nouveau SSD D5-P4326 emballe quatre bits dans le même espace.

L'industrie s'oriente vers des SSD de plus grande capacité dans ses efforts pour garder les données à proximité des ressources de traitement. Mais simplement acheter le plus grand SSD là-bas n'est pas la meilleure façon pour les décideurs informatiques de construire des systèmes de stockage complexes. Avant de choisir les disques pour votre prochaine application, assurez-vous de comprendre comment le flash NAND affecte les performances, l'endurance et la densité.

Êtes-vous prêt pour l'âge du zettabyte?

  • ~ 32ZB de données ont été créés en 2018, selon IDC
  • Les prévisions actuelles suggèrent que ~ 103ZB seront créés en 2023
  • La mise à l'échelle du stockage à semi-conducteurs pour répondre à cette demande nécessite une NAND plus dense (axe x / y), plus de couches de NAND par puce (axe z) et plus de bits par cellule de mémoire
  • Cellule à quatre niveaux (QLC) La NAND offre un avantage de mise à l'échelle de 33% par rapport à la mémoire à cellules à trois niveaux (TLC) existante, mais présente des défis en termes de performances d'écriture et d'endurance
  • Par conséquent, TLC reste une technologie de mémoire importante dans les charges de travail gourmandes en écriture. Attendez-vous à ce que les deux technologies se complètent.

3D QLC NAND: Où allons-nous

Le flash NAND du SSD D5-P4326 d'Intel est appelé 3D QLC. Lorsque nous parlons de QLC, ou technologie de cellule à quatre niveaux, nous faisons référence à la capacité de chaque cellule de mémoire à enregistrer quatre bits de données sur 15 tensions de seuil différentes. 3D est une référence à la façon dont les cellules de mémoire sont construites.

Auparavant, ces cellules étaient disposées côte à côte sur un substrat de silicium. Leur densité a augmenté à mesure que de nouveaux procédés de lithographie permettaient d'en installer davantage sur une surface plane. Mais comme il devenait de plus en plus difficile d'évoluer le long des axes x et y, les fabricants ont commencé à organiser les cellules verticalement, en trois dimensions le long de l'axe z.

Les avantages de la NAND 3D sur la NAND planaire 2D incluent naturellement une densité beaucoup plus élevée. La NAND 3D peut également être écrite et effacée plus de fois que la NAND planaire grâce à ses cellules de mémoire plus grandes. La technologie offre une consommation d'énergie inférieure, de meilleures performances et un coût par bit de stockage moindre.

Dans un périphérique flash constitué de 64 couches de hauteur, 3D NAND permet 64 fois la densité cellulaire de la mémoire planaire. À partir de là, le stockage de plus de données dans chaque cellule sert de multiplicateur. Ainsi, la technologie QLC prend ce 64x et le transforme en 256x. Spécifique à la NAND 3D 64 couches d'Intel, qu'elle utilise dans le SSD D5-P4326, la société peut s'adapter à une densité de 1 To par puce. Et plus de mémoire flash par puce se traduit par des SSD de plus grande capacité dans les mêmes facteurs de forme familiers.

3D TLC NAND: une technologie de mémoire toujours à la pointe de la technologie

Alors que la NAND QLC stocke quatre bits par cellule en détectant l'un des 16 états de charge possibles, la NAND de cellule à trois niveaux (TLC) n'en suit que huit. Bien sûr, c'est toujours une tâche formidable. Mais parce que moins de bits sont écrits dans TAND NAND par rapport à la mémoire QLC, TLC peut supporter un nombre plus élevé de cycles de programme / effacement avant que ses cellules commencent à s'user.

Le stockage de quatre bits dans une cellule de mémoire QLC nécessite de différencier 16 états de charge différents. Trois bits en TLC NAND peuvent être obtenus avec huit états de charge. Les deux sont un peu plus complexes que les anciennes technologies MLC ou SLC.

Ci-dessus: Le stockage de quatre bits dans une cellule de mémoire QLC nécessite de différencier 16 états de charge différents. Trois bits en TLC NAND peuvent être obtenus avec huit états de charge. Les deux sont beaucoup plus complexes que les anciennes technologies MLC ou SLC.

Le flash TLC est également plus rapide que QLC. Il s'avère que la différence entre deux fois plus d'états de charge rend QLC plus sujet aux erreurs que le flash TLC. Et bien que les deux technologies utilisent des algorithmes de code de correction d'erreurs pour maintenir l'intégrité de vos données, ce processus consomme un plus grand nombre de cycles de traitement sur les lecteurs basés sur QLC, ce qui affecte particulièrement les performances d'écriture.

Choisir le bon profil de performances pour votre application

Selon une présentation donnée au Sommet de la mémoire flash 2019, Kent Smith de Micron a clairement indiqué que les derniers SSD basés sur QLC sont conçus pour augmenter les SSD TLC existants, et non les remplacer. Il a souligné que la tarification QLC place la technologie à une distance frappante des 55 millions de disques durs de 7200 tr / min (ou plus) qui devraient être livrés en 2019.

Sachant que 3D TLC et 3D QLC sont là, côte à côte sur l'étagère, comment (et peut-être plus important, pourquoi), comment choisissez-vous entre eux? Il s'agit de comprendre votre application de stockage.

Étant donné que QLC NAND peut être lu séquentiellement aussi rapidement que TLC NAND, il est idéal pour les charges de travail lourdes en lecture. À l'inverse, TLC NAND a le dessus sur les performances d'écriture. Lorsque vous appliquez ces forces au spectre des rapports de lecture et d'écriture, il est facile de visualiser où chaque technologie convient le mieux. Smith est allé plus loin en ajoutant des tailles de bloc à sa répartition. Il a montré des SSD QLC pour des charges de travail mixtes gérant de gros blocs de données.

Les SSD TLC et QLC se complètent. Le premier excelle dans les charges de travail lourdes en écriture, tandis que le second offre d'excellentes performances de lecture à un coût par bit inférieur à celui du flash TLC.

Ci-dessus: les SSD TLC et QLC se complètent. Le premier excelle dans les charges de travail lourdes en écriture, tandis que le second offre d'excellentes performances de lecture à un coût par bit inférieur à celui du flash TLC.

Mieux encore, la présentation de Smith offrait un certain nombre de charges de travail sensibles aux performances, exécutées historiquement sur des disques durs qui lisent des données au moins 90% du temps, ou reposent fortement sur des lectures aléatoires et des écritures séquentielles. Les lacs de données IA, les analyses de périphérie (y compris la 5G), les mégadonnées (Hadoop), les magasins d'objets, les bases de données SQL, les réseaux de distribution de contenu, les services cloud, les niveaux de capacité vSAN et le stockage de la réglementation financière et de la conformité sont tous des candidats de choix pour passer à QLC SSD.

Alors qu'un modèle d'E / S de centre de données traditionnel peut impliquer quatre lectures pour chaque écriture, les algorithmes d'apprentissage profond qui alimentent l'IA sont estimés à 5 000 lectures pour chaque écriture, selon les données présentées par Micron. Un SSD QLC plus grand et moins cher est idéal dans une application comme celle-ci.

«Netflix est un autre bon exemple de cas où QLC NAND fonctionne bien», a déclaré Michael Scriber, directeur principal de la gestion des solutions serveur chez Supermicro. "Ils vont écrire un film sur leur système une fois. Ensuite, les clients vont lire ce film un million de fois avec les mêmes performances et des coûts inférieurs par rapport à TLC. »

L'endurance compte aussi

Au-delà des performances, le ratio de lectures / écritures de votre application affecte également l'endurance. Étant donné que QLC NAND est évalué pour moins de cycles de programme / effacement que TLC, les charges de travail lourdes en écriture portent plus rapidement ses cellules de mémoire. Ces tâches semblent cependant être l'exception. Selon Micron, quatre SSD d'entreprise sur cinq expédiés en 2018 ont été évalués pour moins d'un disque d'écriture par jour (DWPD). Cette mesure vous indique quel pourcentage de la capacité d'un SSD vous pouvez écrire sur le disque chaque jour pendant sa période de garantie.

Selon Micron, 4/5 de tous les disques d'entreprise expédiés en 2018 étaient classés pour moins de 1 DWPD, illustrant un besoin décroissant de SSD à haute endurance.

Ci-dessus: selon Micron, 4/5 de tous les disques d'entreprise expédiés en 2018 étaient évalués à moins de 1 DWPD, illustrant un besoin décroissant de SSD à haute endurance.

À l'époque du X25-E d'Intel, une seule écriture de disque – un simple 32 Go – aurait été largement insuffisante. Mais lorsque vous tenez compte de la capacité des SSD d'aujourd'hui, un indice d'endurance inférieur est plus facile à supporter.

"Si j'ai un lecteur de 8 To (TLC) valable pour 1 DWPD, je peux écrire 8 To tous les jours pendant cinq ans et ma garantie est toujours bonne", a déclaré Supermicro's Scriber. "D'un autre côté, si j'ai un lecteur de 16 To (QLC) qui n'est bon que pour 0,5 DWPD, je peux toujours écrire 8 To par jour pendant les cinq prochaines années et ça ira toujours."

Quand tu penses à 32 SSD D5-P4326 à l'avant d'un serveur 1U, et les 500 To de capacité mise en commun qu'ils représentent, demandez si votre application écrit quotidiennement 250 To ou 300 To avant de sonner l'alarme sur l'endurance.

TLC et QLC NAND se complètent

D'ici 2025, Western Digital prédit que 50% des bits flash NAND expédiés seront du 3D QLC, le 3D TLC constituant l'essentiel de ce qui reste. QLC NAND déplacera lentement un certain volume de TLC NAND d'ici là. Cependant, les deux technologies restent importantes pour aller de l'avant.

D'ici 2025, la moitié des bits expédiés seront basés sur la NAND 3D QLC. L'autre moitié sera 3D TLC. Planand NAND aura pratiquement disparu.

Ci-dessus: D'ici 2025, la moitié des bits expédiés seront basés sur la NAND QLC 3D. L'autre moitié sera 3D TLC. Planand NAND aura pratiquement disparu.

À titre d'exemple, le SSD DC P4510 d'Intel cohabite avec son SSD D5-P4326. Les deux sont disponibles dans des facteurs de forme E1.L à des capacités pouvant atteindre 15,36 To, et les deux sont couverts par des garanties de cinq ans. Mais le SSD DC P4510 est composé de 3D TLC NAND empilés 64 couches de haut et capable de 3,1 Go / s de lecture et d'écriture séquentielles. Le SSD D5-P4326 utilise une NAND 3D QLC 64 couches qui pousse les lectures séquentielles jusqu'à 3,2 Go / s, mais tombe à 1,6 Go / s lorsque vous écrivez. Bien que certaines de leurs spécifications se chevauchent, ces disques sont conçus pour différentes applications.

Conclusion

Les décideurs ont plus de flexibilité que jamais pour exploiter la meilleure option de stockage pour leurs charges de travail, équilibrant les performances, l'endurance, la densité et les coûts. Les atouts de QLC NAND plaident enfin pour le remplacement des disques mécaniques par des disques SSD beaucoup plus rapides et plus fiables. Pendant ce temps, les SSD basés sur TLC restent le meilleur choix dans les applications lourdes en écriture. Traitez chacune de vos charges de travail avec la bonne technologie de stockage et vous éliminerez les goulots d'étranglement sans trop dépenser.

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