Giải thích công nghệ X-NAND - Dung lượng QLC ở tốc độ SLC

Lĩnh vực lưu trữ đã có một số tiến bộ nhanh chóng trong thập kỷ qua. Trong thời gian dài nhất, ổ cứng là phương tiện lưu trữ chính và duy nhất được sử dụng trong PC tiêu dùng. Vào buổi bình minh của thập kỷ trước, đã có sự ra đời mang tính cách mạng của một dạng phương tiện lưu trữ mới được gọi là Lưu trữ trạng thái rắn. Giờ đây, khái niệm này không còn xa lạ nhưng việc triển khai ngay từ đầu vẫn chưa được hoàn thiện. Chưa kể chi phí của các loại ổ cứng thể rắn khác nhau khá cao khi so sánh với ổ cứng cơ học tiêu chuẩn và do đó, ổ cứng vẫn là phương tiện lưu trữ mặc định trong PC tiêu dùng.

Vào cuối thập kỷ này, sự phát triển và tiến bộ trong lĩnh vực lưu trữ sân khấu rắn đã tăng gấp mười lần. Các công nghệ flash NAND mới hơn đã được đưa ra thị trường, các bộ điều khiển nhanh hơn và hiệu quả hơn được đưa vào, số lượng ổ đĩa thô tăng lên theo cấp số nhân và các ổ đĩa ngày càng rẻ hơn. Rất nhiều những thay đổi này phải được quy cho một số cấp độ do sự phát triển và tiến bộ trong lĩnh vực flash NAND. Các loại và cấu hình khác nhau của NAND flash cho phép các nhà sản xuất giảm giá thành của ổ đĩa trong khi vẫn duy trì dung lượng lớn và tốc độ cao. Trước khi làm sáng tỏ những bí mật của X-NAND, chúng ta phải tóm tắt lại NAND flash thực sự là gì.

NAND

Như đã giải thích trong hướng dẫn nâng cao của chúng tôi để mua SSD, NAND flash là một loại bộ nhớ không bay hơi, không yêu cầu bất kỳ nguồn điện nào để giữ lại dữ liệu. NAND Flash lưu trữ dữ liệu dưới dạng khối và dựa vào mạch điện để lưu trữ dữ liệu. Khi không có nguồn điện cho bộ nhớ flash, nó sử dụng chất bán dẫn oxit kim loại để cung cấp thêm một khoản phí, do đó giữ được dữ liệu.

Hình thức lưu trữ trạng thái rắn này thường được kết hợp với một thứ gọi là bộ nhớ cache DRAM. Đây là phương tiện lưu trữ nhanh hơn nhưng nhỏ hơn, hoạt động song song với flash NAND của ổ đĩa để mang lại tốc độ cao mà SSD nổi tiếng. Bất cứ khi nào hệ thống hướng dẫn SSD tìm nạp một số dữ liệu, ổ đĩa cần biết chính xác nơi dữ liệu được lưu trữ bên trong các ô nhớ. Vì lý do này, ổ đĩa lưu giữ một loại "bản đồ" tích cực theo dõi nơi tất cả dữ liệu được lưu trữ vật lý. “Bản đồ” này được lưu trữ trên DRAM Cache của ổ đĩa. Điều quan trọng là phải hiểu rằng flash NAND hoạt động tốt nhất khi được ghép nối với bộ nhớ cache DRAM.

Các loại NAND

Vì X-NAND cũng là một loại flash NAND mới, trước tiên chúng ta cần tóm tắt lại các loại NAND Flash đã tồn tại trong SSD ngày nay.

Tế bào một lớp (SLC):Đây là loại bộ nhớ flash đầu tiên có sẵn dưới dạng bộ nhớ flash. Như tên của nó, nó lưu trữ một bit dữ liệu trên mỗi ô và do đó rất nhanh và lâu dài. Tuy nhiên, mặt khác, nó không dày đặc về lượng dữ liệu mà nó có thể lưu trữ, điều này làm cho nó rất đắt. Ngày nay, nó không được sử dụng phổ biến trong các ổ SSD chính thống và chỉ giới hạn ở các ổ đĩa doanh nghiệp có tốc độ rất nhanh hoặc số lượng bộ nhớ đệm nhỏ.
Tế bào nhiều lớp (MLC):Mặc dù chậm hơn, MLC cung cấp sự lựa chọn để lưu trữ nhiều dữ liệu hơn với mức giá thấp hơn SLC. Nhiều ổ trong số này có một lượng nhỏ bộ đệm SLC (được đặt tên đầy đủ là kỹ thuật bộ nhớ đệm SLC) để cải thiện tốc độ, nhờ đó bộ đệm hoạt động như một bộ đệm ghi. Ngày nay MLC cũng đã được thay thế bằng TLC trong hầu hết các ổ đĩa dành cho người tiêu dùng và tiêu chuẩn MLC bị giới hạn trong các giải pháp doanh nghiệp.
Tế bào ba cấp (TLC):TLC vẫn rất phổ biến trong các ổ SSD chính thống ngày nay. Mặc dù chậm hơn MLC, nhưng nó cho phép có dung lượng cao hơn với giá rẻ hơn do khả năng ghi nhiều dữ liệu hơn vào một ô duy nhất. Hầu hết các ổ đĩa TLC sử dụng một số loại bộ nhớ đệm SLC để cải thiện hiệu suất. Trong trường hợp không có bộ nhớ đệm, ổ TLC không nhanh hơn nhiều so với ổ cứng truyền thống. Đối với người tiêu dùng bình thường, những ổ đĩa này mang lại giá trị tốt và sự cân bằng tốt giữa hiệu suất và giá cả. Người dùng chuyên nghiệp và chuyên nghiệp nên cân nhắc các ổ MLC cấp doanh nghiệp để có hiệu suất tốt hơn nếu họ thấy phù hợp.
Tế bào cấp bốn (QLC):Đây là cấp độ tiếp theo của công nghệ lưu trữ hứa hẹn có dung lượng cao hơn với mức giá rẻ hơn. Nó cũng sử dụng một kỹ thuật bộ nhớ đệm để cung cấp tốc độ tốt. Độ bền có thể thấp hơn một chút với các ổ đĩa sử dụng QLC NAND và hiệu suất ghi duy trì có thể trở nên thấp hơn khi bộ nhớ cache đầy. Tuy nhiên, nó nên giới thiệu các ổ đĩa rộng rãi hơn với giá cả phải chăng.

Đây là các dạng NAND Flash hiện đang tồn tại trong SSD ngày nay. Khi các nhà sản xuất luôn đổi mới và cải tiến những thiết kế này để cải thiện hiệu suất và quan trọng hơn có lẽ là cắt giảm chi phí, chúng ta cũng đã thấy sự ra đời của một thứ gọi là 3D NAND trong ổ SSD.

Như đã đề cập trước đây, 2D hoặc Planar NAND chỉ có một lớp ô nhớ, trong khi 3D NAND xếp lớp các ô chồng lên nhau theo cách xếp chồng lên nhau. Các nhà sản xuất ổ đĩa hiện đang xếp ngày càng nhiều ngăn xếp chồng lên nhau, dẫn đến các ổ đĩa dày đặc hơn, rộng rãi hơn và ít tốn kém hơn. Ngày nay, 3D NAND Layering đã trở nên thực sự phổ biến và hầu hết các ổ SSD phổ biến đều sử dụng kỹ thuật này. Các ổ đĩa này có giá thấp hơn so với các ổ đĩa phẳng của chúng vì nó rẻ hơn khi sản xuất gói flash xếp chồng, dày đặc hơn so với ổ đĩa 2D. Samsung gọi việc triển khai này là “V-NAND” trong khi Toshiba đặt tên cho nó là “BISC-Flash”.

Kỹ thuật này cũng cho phép các nhà sản xuất ổ đĩa sản xuất ổ SSD có dung lượng cao hơn với giá thấp hơn với khối lượng lớn.

X-NAND là gì

X-NAND về mặt lý thuyết là sự kết hợp của những điều tốt nhất về SLC và QLC. Về cốt lõi, khái niệm này cố gắng mang những gì tốt nhất của cả hai thế giới vào một nơi và đó thực sự là điều cần thiết để thúc đẩy phân khúc công nghệ NAND Flash phát triển.

Kiến trúc X-NAND đã được trình bày bởi Giám đốc điều hành của NEO Semiconductor tại Hội nghị thượng đỉnh bộ nhớ Flash năm 2021. Kiến trúc mới này hứa hẹn sẽ kết hợp tốc độ của SLC Flash với mật độ và giá thấp của QLC Flash. So với QLC NAND thông thường, Thời gian đọc được cải thiện lên đến 30%, Thời gian chương trình tăng 37%, Thông lượng đọc lên đến 27 lần và Băng thông ghi lên đến 14 lần. Đây là những cải tiến mang tính thiên văn khi chúng ta so sánh nó với những gì chúng ta có ngày nay, khiến X-NAND trở thành một kiến trúc thực sự hấp dẫn đáng để tìm kiếm trong tương lai gần.

Ưu điểm của X-NAND

Andy Hsu, Giám đốc điều hành của NEO Semiconductor, đã giải thích những lợi ích tiềm năng của X-NAND trong Hội nghị thượng đỉnh về bộ nhớ flash ảo kéo dài ba ngày vào năm 2020. Sau đây là một số lợi thế quan trọng của X-NAND so với các công nghệ flash hiện tại.

Tốc độ

Điều tốt nhất về X-NAND là sự kết hợp tiềm năng của hai thứ tốt nhất mà chúng tôi tìm thấy trong SLC và QLC NAND hiện nay. Hiện tại, người dùng phải đưa ra lựa chọn giữa dung lượng và khả năng chi trả của QLC, hoặc tốc độ thô của một thứ như ổ MLC (vì SLC không còn được sử dụng phổ biến để làm ổ SSD tiêu dùng nữa). Vì X-NAND hứa hẹn sẽ kết hợp tốc độ của SLC với dung lượng của QLC, chúng tôi không có lý do gì để nghi ngờ rằng công nghệ mới này sẽ mang lại một số con số tốc độ vô lý.

Sức chứa

Hiện tại, QLC là loại NAND Flash được lựa chọn khi sản xuất ổ SSD dung lượng cao với giá cả hợp lý. Điều này là do kiến trúc và mật độ của flash QLC, có thể lưu trữ nhiều dữ liệu trong flash hơn là bạn có thể quản lý để lưu trữ trong ổ MLC hoặc thậm chí TLC được trang bị tương tự. Mang những lợi ích về dung lượng của QLC NAND chậm hơn đến tốc độ SLC tốc độ cao hơn sẽ có khả năng tạo ra một ổ SSD kết hợp tốt nhất của cả hai thế giới như chúng ta đã đề cập trước đó.

Khả năng chi trả

Không có thông tin nhất định về giá của X-NAND tính đến thời điểm viết bài, nhưng nếu tình hình giá cả hiện tại của SLC và QLC NAND là bất kỳ điều gì xảy ra, X-NAND có tiềm năng rẻ như QLC trong tương lai gần. QLC là dạng NAND chậm nhất và nhiều nhất trong các ổ SSD hiện nay, và do đó nó cũng có giá rẻ nhất. Mặc dù có thể hơi dài khi nói rằng X-NAND chắc chắn sẽ phù hợp hoặc cắt xén các ổ đĩa QLC ngày nay, nhưng tiềm năng chắc chắn là hiện hữu và không thể phủ nhận được. Phân khúc SSD ngân sách đã rất cạnh tranh như chúng tôi đã lưu ý trong bảng tổng hợp 5 SSD SATA ngân sách tốt nhất để mua vào năm 2021 và với X-NAND, nó có khả năng trở nên đông đúc hơn nữa.

Cơ chế đằng sau X-NAND

Trong khi các ổ đĩa QLC của người tiêu dùng chủ yếu dựa vào bộ nhớ đệm SLC (có một lượng nhỏ SLC NAND trên bo mạch để tăng tốc quá trình), X-NAND tìm ra cách để flash duy trì hiệu suất SLC trong một khoảng thời gian dài. Điều này được thực hiện bằng cách cho phép đồng thời các chế độ ghi SLC và QLC không phải là một quá trình được thực hiện trong các ổ đĩa QLC hiện tại.

Như có thể thấy trong biểu đồ hiệu suất này, thông lượng ghi của ổ đĩa QLC hiện đại giảm xuống vực sau một khoảng thời gian nhất định trôi qua. Điều này là do bộ nhớ cache SLC đã đầy và ổ đĩa phải dựa vào QLC NAND chậm hơn nhiều để di chuyển dữ liệu. So sánh với đường biểu đồ X-NAND luôn ở mức 100% trong suốt quá trình thử nghiệm và sự khác biệt là đêm và ngày. Ở đây, chúng tôi thực sự có thể đánh giá cao lợi ích hiệu suất của X-NAND, mang lại tốc độ cấp SLC đến mức giá và mức dung lượng hợp lý hơn.

X-NAND đạt được những lợi ích này bằng cách đi từ bộ đệm trang 16KB trên mỗi mặt phẳng sang bộ đệm trang 1KB trên mỗi mặt phẳng, nhưng với gấp mười sáu lần các mặt phẳng, như được trích dẫn trong một ví dụ. Điều này có thể được hiểu rõ hơn bằng cách mổ xẻ một số thuật ngữ được sử dụng ở đây. Mặt phẳng có xu hướng là đơn vị xen kẽ nhỏ nhất của đèn flash, với một hoặc nhiều mặt phẳng trên mỗi khuôn đèn flash. Bộ đệm trang lưu giữ dữ liệu chuyển tiếp giữa xe buýt và đèn flash. Một khuôn flash được chia thành các mặt phẳng chứa các dòng bit hoặc chuỗi ô nên việc phân chia phẳng có thể làm giảm độ dài của dòng bit và điều đó giúp tăng hiệu suất. Hiệu suất ghi có thể được tăng lên khá nhiều bằng cách sử dụng quy trình này.

Ứng dụng trong tương lai

Tương lai chắc chắn có vẻ tươi sáng nếu chúng ta nhìn vào tiềm năng của X-NAND. Mặc dù chắc chắn rất khó để dự đoán liệu X-NAND sẽ sớm trở thành một sản phẩm khả thi trên thị trường hay không, nhưng con đường phía trước dường như đang khá thuận lợi cho sự ra đời của công nghệ này. X-NAND chắc chắn sẽ làm rung chuyển thị trường lưu trữ thể rắn nếu ra mắt trong tình hình thị trường hiện nay.

Luôn ghi nhớ tiềm năng cải tiến và hoàn thiện hơn nữa, X-NAND chắc chắn có thể là một ứng cử viên khả thi cho các ứng dụng trung tâm dữ liệu và doanh nghiệp trong tương lai. Điều quan trọng nhất trong thiết lập trung tâm dữ liệu chắc chắn là sự an toàn và dự phòng của dữ liệu. Nếu những bộ óc đằng sau X-NAND có thể tìm ra cách để tăng độ bền và độ tin cậy của NAND này, thì đó chắc chắn có thể là một phân khúc thị trường mà X-NAND có thể có tác động trong tương lai gần.

Đối với PC tiêu dùng và các ứng dụng chơi game, thì lĩnh vực này cũng có rất nhiều tiềm năng. Hiện tại, những người mua SSD tiềm năng chắc chắn đang bị giằng co giữa tốc độ của MLC / TLC với dung lượng và giá cả của QLC NAND. Giá cả chắc chắn sẽ đóng một phần lớn trong sự thành công của X-NAND trên thị trường máy tính để bàn tiêu dùng nhưng chúng ta có thể mong đợi nó sẽ tốt hơn khi kiến trúc hoàn thiện hơn và quy trình sản xuất trở nên hợp lý hơn.

Phần kết luận

Mặc dù nghe có vẻ quá tốt là đúng, nhưng X-NAND là một công nghệ mới mang tính cách mạng nhằm mục đích kết hợp các phần tốt nhất của các loại NAND SLC và QLC. Mặc dù nó có thể không đơn giản như vậy ngay bây giờ, nhưng không thể bỏ qua tiềm năng của công nghệ này. Đây không chỉ là một bước tiến lớn trong lĩnh vực trung tâm dữ liệu và điện toán biên mà còn trên thị trường máy tính để bàn và máy chơi game tiêu dùng. X-NAND hiện vẫn còn sơ khai và không có sản phẩm nào trên thị trường sử dụng đèn flash NAND này tính đến thời điểm viết bài, nhưng sẽ rất thú vị khi xem những bộ óc đằng sau X-NAND đã lên kế hoạch gì cho sự ra mắt cuối cùng của nó. thị trường.