Различия между SLC, MLC, TLC и QLC в SSD.
в Компьютеры 11.10.2019 0 302 Просмотров
Что такое флэш-память NAND?
SLC, MLC, TLC и QLC являются аббревиатурами, которые обозначают различные типы флэш-памяти NAND (или просто память NAND). По этой причине, при поиске SSD, возможно, вы также найдете выражения SLC NAND, MLC NAND, TLC NAND и QLC NAND.
Но что именно индустрия хочет сказать о NAND Flash? Кроме того, в отличие от жёстких дисков, твёрдотельные накопители хранят информацию в микросхемах памяти, которые не теряют данные, когда нет энергии, как при выключении компьютера.
По сути, данные, хранящиеся во флэш-памяти, хранятся в структурах, называемых ячейками. Процесс записи или изменения данных осуществляется с помощью электрических зарядов.
Существует два основных типа флэш-памяти: Flash NOR (Not OR) и NAND Flash (Not AND). Эти имена, если можно так сказать, связаны с отображением данных каждого типа по умолчанию.
Как правило, чипы с Flash NOR обеспечивают более быстрое считывание данных. Это связано с тем, что этот тип обеспечивает произвольный доступ к данным: можно получить доступ к определенной информации, перейдя прямо к ячейкам памяти, в которой она хранится.
Флэш-память NAND уже требует последовательного доступа к ячейкам. Этот доступ осуществляется блоками. Несмотря на это, микросхемы флэш-памяти NAND имеют как минимум два преимущества: они могут хранить больше данных, чем флэш-память NOR, учитывая одинаковое физическое пространство, и, как правило, они дешевле.
Вот почему NAND Flash часто используется в устройствах хранения данных, таких как SSD или карта памяти. Flash NOR применяется для более конкретных целей. Этот тип широко используется, например, в микросхемах, в которых хранятся прошивки маршрутизаторов Wi-Fi, телевизоров, смартфонов и т. д.
Теперь, когда вы уже знаете, что такое NAND Flash (и Flash-NOR), мы сможем понять разницу между SLC, MLC, TLC и QLC.
Что такое SLC NAND?
SLC означает одноуровневую ячейку. Этот тип флэш-памяти NAND характеризуется сохранением одного бита в каждой ячейке – 0 или 1, если мы используем обычное представление.
SLC является типом NAND Flash старого образца и имеет два основных преимущества: большая скорость в процессах чтения и записи данных, долговечность, оцениваемая в диапазоне от 90 тысяч до 100 тысяч циклов чтения или записи, и меньшая вероятность ошибок даже при относительно высоких температурах.
С другой стороны, SLC, как правило, стоят дороже. Кроме того, хранят меньше данных по сравнению с другими типами флэш-памяти NAND.
За счёт её основных преимуществ, память SLC очень распространена в устройствах хранения данных, например, на веб-серверах или в промышленных приложениях.
Что такое MLC NAND?
Многослойная ячейка или, в переводе, ячейки из нескольких слоев. Здесь каждая ячейка памяти способна хранить два бита вместо одного: 00, 01, 10 или 11.
Поэтому основным преимуществом MLC NAND является самая высокая плотность хранения данных по сравнению с SLC. Пример: хотя блок SLC хранит 64 КБ данных, блок MLC с той же физической областью может позволить блоку иметь 128 КБ.
Позволяя хранить больше данных при меньших затратах, чем в SLC, память MLC очень часто используется в твёрдотельных накопителях для домашних компьютеров. С другой стороны, ячейки в MLC менее долговечны, чем SLC, поддерживая около 10 тысяч циклов чтения или записи. Кроме того, скорость этих процедур, как правило, меньше.
Несмотря на это, твёрдотельные накопители с MLC, как правило, долговечные и достаточно быстрые, чтобы, например, удовлетворить потребности домашних пользователей или офисов.
Существует тип MLC, называемый eMLC (Enterprise Multi-Level Cell), который оптимизирован для поддержки большего количества циклов чтения и записи – от 20 до 30 тысяч циклов. Этот шаблон немного дороже и поэтому применяется для корпоративных приложений.
Что такое TLC NAND?
TLC означает Triple-Cell, что-то вроде Cell-Level Triple. Название говорит само за себя: чипы TLC NAND хранят три бита на ячейку. Возможные состояния: 111, 110, 101, 100, 011, 010, 001 и 000.
Огромным и очевидным преимуществом памяти TLC NAND является то, что они могут хранить больше данных, чем типы SLC и MLC, но при этом не происходит значительного увеличения затрат. С другой стороны, циклы чтения и записи здесь меньше: от 3 тысяч до 5 тысяч на клетку. Скорость чтения и записи также может быть ниже.
Твёрдотельные накопители с Flash TLC указываются для домашних пользователей, которым требуется достаточно большая ёмкость для хранения данных.
Что такое QLC NAND?
Это тип флэш-памяти, который появился на рынке не так давно. QLC означает Quad-Level Cell – Level Cell Quadruple – и, как следует из названия, вы можете хранить четыре бита на ячейку (примерно 16 комбинаций из 0 и 1).
Здесь «правило» одно и то же: увеличивать плотность чипа и, следовательно, его ёмкость, но срок полезного использования падает. Предполагается, что QLC NAND поддерживает тысячу циклов записи.
Из-за меньшего количества циклов записи твёрдотельные накопители с QLC NAND используются для приложений, которые требуют много места для хранения, но с данными, которые должны быть гораздо более широко считаны, чем записаны или изменены. Это связано с тем, что операции чтения вызывают меньший износ, чем процессы записи.
3D NAND или V-NAND
Рядом со спецификациями SLC, MLC, TLC и QLC часто встречается выражение 3D NAND или, в случае твёрдотельных накопителей от Samsung, V-NAND. Это ещё один тип технологии, который позволяет увеличить ёмкость флэш-памяти.
Как? Вместо того, чтобы ячейки располагались в одном слое (2D NAND), они «складываются». Следовательно, «3D» в названии или «V» в V-NAND (вертикальный NAND) – компания Samsung решила использовать это имя в своих SSD, но смысл остаётся тот же.
Для простоты понимания подумайте, что ячейки – это коробки, расположенные рядом на складе. Что делать, когда на полу больше нет места? Собственно, поставь ящик на другой. Принцип 3D NAND более или менее таков: в нём несколько слоёв вместо одного.
Количество слоёв варьируется от производителя к производителю. Когда этот текст был написан, можно было относительно легко найти твёрдотельные накопители с 32 и 64 слоями, в то время как устройства с 96 слоями только выходили на рынок, а технология из 128 слоев находилась в стадии разработки.
Заключение
Эта статья была посвящена флэш-памяти NAND и тому, как типы SLC, MLC, TLC и QLC влияют на ёмкость накопителей SSD. Но, конечно, это только часть обзора. Чтобы узнать больше, просто следите за публикациями.
Взгляд изнутри: Flash-память и RAM
Предисловие
Новый Год – приятный, светлый праздник, в который мы все подводим итоги год ушедшего, смотрим с надеждой в будущее и дарим подарки. В этой связи мне хотелось бы поблагодарить всех хабра-жителей за поддержку, помощь и интерес, проявленный к моим статьям (1, 2, 3, 4). Если бы Вы когда-то не поддержали первую, не было и последующих (уже 5 статей)! Спасибо! И, конечно же, я хочу сделать подарок в виде научно-популярно-познавательной статьи о том, как можно весело, интересно и с пользой (как личной, так и общественной) применять довольно суровое на первый взгляд аналитическое оборудование. Сегодня под Новый Год на праздничном операционном столе лежат: USB-Flash накопитель от A-Data и модуль SO-DIMM SDRAM от Samsung.
Теоретическая часть
Постараюсь быть предельно краток, чтобы все мы успели приготовить салат оливье с запасом к праздничному столу, поэтому часть материала будет в виде ссылок: захотите – почитаете на досуге…
Какая память бывает?
На настоящий момент есть множество вариантов хранения информации, какие-то из них требуют постоянной подпитки электричеством (RAM), какие-то навсегда «вшиты» в управляющие микросхемы окружающей нас техники (ROM), а какие-то сочетают в себе качества и тех, и других (Hybrid). К последним, в частности, и принадлежит flash. Вроде бы и энергонезависимая память, но законы физики отменить сложно, и периодически на флешках перезаписывать информацию всё-таки приходится.
Тут можно подробнее ознакомиться с ниже приведённой схемой и сравнением характеристик различных типов «твердотельной памяти». Или тут – жаль, что я был ещё ребёнком в 2003 году, в таком проекте не дали поучаствовать…
Современные типы «твердотельной памяти». Источник
Единственное, что, пожалуй, может объединять все эти типы памяти – более-менее одинаковый принцип работы. Есть некоторая двумерная или трёхмерная матрица, которая заполняется 0 и 1 примерно таким образом и из которой мы впоследствии можем эти значения либо считать, либо заменить, т.е. всё это прямой аналог предшественника – памяти на ферритовых кольцах.
Что такое flash-память и какой она бывает (NOR и NAND)?
Начнём с flash-памяти. Когда-то давно на небезызвестном ixbt была опубликована довольно подробная статья о том, что представляет собой Flash, и какие 2 основных сорта данного вида памяти бывают. В частности, есть NOR (логическое не-или) и NAND (логическое не-и) Flash-память (тут тоже всё очень подробно описано), которые несколько отличаются по своей организации (например, NOR – двумерная, NAND может быть и трехмерной), но имеют один общий элемент – транзистор с плавающим затвором.
Схематическое представление транзистора с плавающим затвором. Источник
Итак, как же это чудо инженерной мысли работает? Вместе с некоторыми физическими формулами это описано тут. Если вкратце, то между управляющим затвором и каналом, по которому ток течёт от истока к стоку, мы помещаем тот самый плавающий затвор, окружённый тонким слоем диэлектрика. В результате, при протекании тока через такой «модифицированный» полевой транзистор часть электронов с высокой энергией туннелируют сквозь диэлектрик и оказываются внутри плавающего затвора. Понятно, что пока электроны туннелировали, бродили внутри этого затвора, они потеряли часть энергии и назад практически вернуться не могут.
NB: «практически» — ключевое слово, ведь без перезаписи, без обновления ячеек хотя бы раз в несколько лет Flash «обнуляется» так же, как оперативная память, после выключения компьютера.
Там же, на ixbt, есть ещё одна статья, которая посвящена возможности записи на один транзистор с плавающим затвором нескольких бит информации, что существенно увеличивает плотность записи.
В случае рассматриваемой нами флешки память будет, естественно, NAND и, скорее всего, multi-level cell (MLC).
Если интересно продолжить знакомиться с технологиями Flash-памяти, то тут представлен взгляд из 2004 года на данную проблематику. А здесь (1, 2, 3) некоторые лабораторные решения для памяти нового поколения. Не думаю, что эти идеи и технологии удалось реализовать на практике, но, может быть, кто-то знает лучше меня?!
Что такое DRAM?
Если кто-то забыл, что такое DRAM, то милости просим сюда.
Опять мы имеем двумерный массив, который необходимо заполнить 0 и 1. Так как на накопление заряда на плавающем затворе уходит довольно продолжительное время, то в случае RAM применяется иное решение. Ячейка памяти состоит из конденсатора и обычного полевого транзистора. При этом сам конденсатор имеет, с одной стороны, примитивное физическое устройство, но, с другой стороны, нетривиально реализован в железе:
Устройство ячейки RAM. Источник
Опять-таки на ixbt есть неплохая статья, посвящённая DRAM и SDRAM памяти. Она, конечно, не так свежа, но принципиальные моменты описаны очень хорошо.
Единственный вопрос, который меня мучает: а может ли DRAM иметь, как flash, multi-level cell? Вроде да, но всё-таки…
Часть практическая
Flash
Те, кто пользуется флешками довольно давно, наверное, уже видели «голый» накопитель, без корпуса. Но я всё-таки кратко упомяну основные части USB-Flash-накопителя:
Основные элементы USB-Flash накопителя: 1. USB-коннектор, 2. контроллер, 3. PCB-многослойная печатная плата, 4. модуль NAND памяти, 5. кварцевый генератор опорной частоты, 6. LED-индикатор (сейчас, правда, на многих флешках его нет), 7. переключатель защиты от записи (аналогично, на многих флешках отсутствует), 8. место для дополнительной микросхемы памяти. Источник
Пойдём от простого к сложному. Кварцевый генератор (подробнее о принципе работы тут). К моему глубокому сожалению, за время полировки сама кварцевая пластинка исчезла, поэтому нам остаётся любоваться только корпусом.
Корпус кварцевого генератора
Случайно, между делом, нашёл-таки, как выглядит армирующее волокно внутри текстолита и шарики, из которых в массе своей и состоит текстолит. Кстати, а волокна всё-таки уложены со скруткой, это хорошо видно на верхнем изображении:
Армирующее волокно внутри текстолита (красными стрелками указаны волокна, перпендикулярные срезу), из которого и состоит основная масса текстолита
А вот и первая важная деталь флешки – контроллер:
Контроллер. Верхнее изображение получено объединением нескольких СЭМ-микрофотографий
Признаюсь честно, не совсем понял задумку инженеров, которые в самой заливке чипа поместили ещё какие-то дополнительные проводники. Может быть, это с точки зрения технологического процесса проще и дешевле сделать.
После обработки этой картинки я кричал: «Яяяяязь!» и бегал по комнате. Итак, Вашему вниманию представляет техпроцесс 500 нм во всей свой красе с отлично прорисованными границами стока, истока, управляющего затвора и даже контакты сохранились в относительной целостности:
«Язь!» микроэлектроники – техпроцесс 500 нм контроллера с прекрасно прорисованными отдельными стоками (Drain), истоками (Source) и управляющими затворами (Gate)
Теперь приступим к десерту – чипам памяти. Начнём с контактов, которые эту память в прямом смысле этого слова питают. Помимо основного (на рисунке самого «толстого» контакта) есть ещё и множество мелких. Кстати, «толстый»
Во-первых, полный список опубликованных статей на Хабре:
Во-вторых, помимо блога на HabraHabr, статьи и видеоматериалы можно читать и смотреть на Nanometer.ru, YouTube, а также Dirty.
В-третьих, если тебе, дорогой читатель, понравилась статья или ты хочешь простимулировать написание новых, то действуй согласно следующей максиме: «pay what you want»
[Информационный пост] Историческая справка о типах NAND памяти
Привет, Гиктаймс! Известен факт, что производительность твердотельного накопителя зависит не только от контроллера, но и от типа памяти, которая используется в SSD. Дешевая медленная память убьет все преимущества быстрого контроллера, потому что вся нагрузка ложится именно на него, равно как и медленный контроллер не раскроет потенциал быстрой памяти. Рынку важнее большой объем за скромные деньги, нежели чистое искусство высокой скорости, а с учетом того, что эти две вещи несовместимы… Ключевая роль в этом уравнении отведена буквам – SLC, MLC и TLC. Именно о типах памяти и хочу повести речь в этом посте.
Для затравки представлю всех «участников забега» на очень длинную дистанцию:
Память SLC – Single-Level Cell – давно ушедший с рынка, самый быстрый, самый выносливый и самый дорогой тип памяти. Когда-то давно, в 2004 году доля рынка SLC чипов была более 80%, однако к 2011 они пропали из производства и на текущий момент можно считать их вымершими. Кроме скорости архитектура SLC также славится надежностью, поскольку контроллеру намного легче вылавливать ошибки.
Память MLC – Multi-Level Cell – она же 2-bit MLC – самый популярный на текущий тип памяти – на него приходится около 65 процентов рынка, но доля его неуклонно снижается. Именно такую память в основном использует компания Kingston. Скорость работы таких чипов ниже, чем SLC, но ее достаточно для раскрытия потенциала интерфейса SATA III (как в случае с HyperX Savage, например), а лучшие из образцов прекрасно подходят для работы в PCI-E накопителях, например, HyperX Predator.
Память TLC – Triple-Level Cell, он же 3-bit MLC – самый недорогой из трех типов памяти, появился на рынке в 2008 году и с тех пор пожирает рынок и по прогнозам может занять 90 процентов рынка уже в 2017 году. Что принесет разработка этого стандарта? В начале — небольшое падение скоростей для твердотельных накопителей большой емкости. А затем, после оптимизации и улучшения процесса производства — появление сверхъёмких и достаточно быстрых SSD по 4 терабайта и более по вполне вменяемым (в долларах США) ценам. Kingston закладывает такой переход в дальнейшую стратегию развития и вскоре мы увидим первые серийные твердотельные диски на новом типе памяти.
Следует сделать отступление на тему ресурса — указанные данные — это теоретический максимум для каждого типа памяти, реальные же цифры обусловлены также техпроцессом производства, качеством пластины, а соответственно и ценой за чип (чем дешевле чипы, тем короче срок службы) и способом оптимизации работы твердотельного накопителя в каждом отдельно взятом контроллере (качественный контроллер с качественной прошивкой всегда дороже).
Кто потребляет NAND память?
А вот тут очень интересная история – на долю USB Flash Drive – выпадает около 5% от общего потребления чипов, на долю карт памяти – около 10%, примерно 20% на долю компьютерного рынка (SSD). А где еще 65% спросите вы? Планшеты – забирают себе 20 процентов, еще 5 процентов у МР3-плееров и других подобных устройств, а 40% съедают – смартфоны. Кстати, еще один любопытный факт – компания Apple потребляет 16% от общего количества выпускаемой флеш-памяти. Здесь важно понимать, что направление развития рынка диктует, в первую очередь, мобильное направление, а уж десктопы покорно следуют за толпой демонстрантов с радостными лозунгами.
Скорость обмена данными между центральным и графическим ядрами и системой хранения растет достаточно быстро для того, чтобы в обозримом, но не ближайшем, будущем отказаться от оперативной памяти как таковой. Прямой доступ к кэшу накопителей будет прекрасным решением знаменитого «бутылочного горлышка».
Что такое nand flash
Версия вашего веб-браузера устарела. Обновите браузер для повышения удобства работы с этим веб-сайтом. https://browser-update.org/update-browser.html
Что такое NAND?
NAND — это энергонезависимая флеш-память, которая может хранить данные, даже если она не подключена к источнику питания. Возможность сохранять данные при выключении питания делает NAND отличным вариантом для внутренних, внешних и портативных устройств. USB-накопители, твердотельные накопители и SD-карты используют флеш-технологию, обеспечивая память для таких устройств, как мобильные телефоны и цифровые видеокамеры.
На рынке представлены несколько типов памяти NAND. Попросту говоря, каждый из типов отличается количеством битов, которое может храниться в каждой ячейке. Биты представляют собой электрический заряд, который может содержать только одно из двух значений — 0 или 1 (вкл./выкл.).
Ключевые различия между типами памяти NAND заключаются в стоимости, емкости и сроке службы. Ресурс определяется количеством циклов программирования-стирания (P/E), которые может выдержать ячейка флеш-памяти до износа. Цикл P/E — это процесс стирания и записи ячейки, и чем больше циклов P/E может выдержать технология NAND, тем выше ресурс устройства.
Стандартные типы флеш-памяти NAND — SLC, MLC, TLC и 3D NAND. В этой статье рассматриваются различные характеристики каждого типа памяти NAND.
SLC NAND
Преимущества: Высочайший ресурс — Недостатки: Высокая стоимость и низкая емкость
NAND-память в одноуровневыми ячейками (SLC) хранит только 1 бит информации на ячейку. В ячейке хранится либо 0, либо 1, и в результате запись и извлечение данных может выполняться быстрее. SLC обеспечивает самую высокую производительность и ресурс: 100 000 циклов P/E То есть такая память служит дольше других типов NAND-памяти. Однако из-за низкой плотности размещения данных SLC является самым дорогим типом NAND-памяти и поэтому обычно не используется в потребительской продукции. Ее типичные области применения — серверы и другое промышленное оборудование, требующее высокой скорости и долговечности.
MLC NAND
Преимущества: Дешевле памяти SLC — Недостатки: Быстродействие и ресурс ниже по сравнению с SLC
Технология NAND-памяти с многоуровневыми ячейками (MLC) хранит несколько битов на ячейку, хотя термин MLC обычно относится к 2 битам на ячейку. MLC имеет более высокую плотность размещения данных по сравнению с SLC, поэтому позволяет создавать носители большей емкости. Память MLC отличается хорошим сочетанием цены, производительности и долговечности. Однако память MLC, обеспечивающая 10 000 циклов P/E более чувствительна к ошибкам данных и имеет меньший ресурс по сравнению с SLC. Память MLC обычно используется в потребительской продукции, где долговечность не столь важна.
TLC NAND
Преимущества: Наименьшая цена и высокая емкость — Недостатки: Низкая долговечность
NAND-память с трехуровневыми ячейками (TLC) хранит 3 бита на ячейку. За счет увеличения числа битов на ячейку снижается цена и увеличивается емкость. Однако это отрицательно сказывается на производительности и ресурсе (всего 3000 циклов P/E). Во многих потребительских изделиях используется память TLC как самый дешевый вариант..
3D NAND
В последние десять лет одной из крупнейших инноваций на рынке флеш-памяти стала память 3D NAND. Производители флеш-памяти разработали технологию 3D NAND, чтобы устранить проблемы, с которыми они столкнулись при уменьшении размера 2D NAND в попытке достичь более высокой плотности при меньших затратах. В памяти 2D NAND ячейки, в которых хранятся данные, размещаются горизонтально, рядом друг с другом. Это означает, что объем пространства, в котором могут быть размещены ячейки, ограничен, и попытка уменьшить размер ячеек снижает их надежность.
Поэтому производители NAND-памяти решили расположить ячейки в пространстве иначе, что привело к созданию памяти 3D NAND с вертикальным расположением ячеек. Более высокая плотность памяти позволяет увеличить емкость без значительного увеличения цены. Память 3D NAND также обеспечивает более высокую долговечность и меньшее энергопотребление.
В целом, NAND — чрезвычайно важная технология памяти, поскольку обеспечивает быстрое стирание и запись данных при более низкой стоимости на бит. С ростом игровой индустрии развитие технологии NAND продолжится, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности потребителей в хранении данных.
