X-NAND-technologie uitgelegd - QLC-capaciteit bij SLC-snelheden

Op het gebied van opslag is het afgelopen decennium een aantal snelle vorderingen gemaakt. Lange tijd waren harde schijven het primaire en enige opslagmedium dat op consumenten-pc's werd gebruikt. Aan het begin van het vorige decennium was er de revolutionaire introductie van een nieuwe vorm van opslagmedium, bekend als Solid State Storage. Nu was het concept niet onbekend, maar de implementatie aan het begin was op zijn zachtst gezegd ongeraffineerd. Om nog maar te zwijgen over de kosten van verschillende soorten solid-state drives waren torenhoog in vergelijking met een standaard mechanische harde schijf en dus waren harde schijven nog steeds het standaardmedium voor opslag op consumenten-pc's.

Later in het decennium vertienvoudigde de vooruitgang en vooruitgang op het gebied van opslag op vaste podia. Nieuwere NAND-flashtechnologieën werden op de markt gebracht, snellere en efficiëntere controllers werden ingebakken, het ruwe aantal schijven schoot exponentieel omhoog en de schijven werden ook goedkoper en goedkoper. Veel van deze veranderingen moeten op een bepaald niveau worden toegeschreven aan de voortgang en vorderingen op het gebied van NAND-flitser. Door de verschillende typen en configuraties van de NAND-flitser konden de fabrikanten de kosten van de schijf zelf verlagen, terwijl de grote capaciteiten en hoge snelheden behouden bleven. Voordat we de geheimen van X-NAND ontrafelen, moeten we samenvatten wat NAND-flits eigenlijk is.

NEN

Zoals uitgelegd in onze geavanceerde gids voor het kopen van een SSD, NAND-flash is een type niet-vluchtig geheugen dat geen stroom nodig heeft om gegevens vast te houden. NAND Flash slaat gegevens op als blokken en vertrouwt op elektrische circuits om gegevens op te slaan. Als er geen stroom beschikbaar is voor het flash-geheugen, gebruikt het een metaaloxide-halfgeleider om een extra lading te leveren, waardoor de gegevens worden bewaard.

Deze vorm van solid-state opslag wordt vaak gekoppeld aan iets dat een DRAM-cache wordt genoemd. Dit is een sneller maar kleiner opslagmedium dat samenwerkt met de NAND-flash van de schijf om de hoge snelheden te leveren waar SSD's bekend om staan. Telkens wanneer het systeem de SSD opdracht geeft om gegevens op te halen, moet de schijf weten waar de gegevens precies in de geheugencellen zijn opgeslagen. Om deze reden houdt de schijf een soort "kaart" bij die actief bijhoudt waar alle gegevens fysiek zijn opgeslagen. Deze "kaart" wordt opgeslagen in de DRAM-cache van een schijf. Het is belangrijk om te begrijpen dat NAND-flash het beste werkt in combinatie met een DRAM-cache.

NAND-typen

Omdat X-NAND ook een nieuw type NAND-flash is, moeten we eerst de typen NAND-flash samenvatten die al in SSD's van vandaag bestaan.

Single Layer Cell (SLC):Dit is het allereerste type flash-geheugen dat beschikbaar was als flash-opslag. Zoals de naam al aangeeft, slaat het één bit aan gegevens per cel op en is daarom erg snel en langdurig. Aan de andere kant is het echter niet erg compact in termen van hoeveel gegevens het kan opslaan, wat het erg duur maakt. Tegenwoordig wordt het niet vaak gebruikt in reguliere SSD's en is het beperkt tot zeer snelle enterprise-schijven of kleine hoeveelheden cache.
Meerlagige cel (MLC):Ondanks dat het langzamer is, geeft MLC de keuze om meer gegevens op te slaan tegen een lagere prijs dan SLC. Veel van deze schijven hebben een kleine hoeveelheid SLC-cache (toepasselijk de SLC-cachetechniek genoemd) om de snelheden te verbeteren waarbij de cache als schrijfbuffer fungeert. MLC is tegenwoordig ook vervangen door TLC in de meeste consumentenschijven, en de MLC-standaard is beperkt gebleven tot bedrijfsoplossingen.
Triple-Level Cell (TLC):TLC is nog steeds heel gebruikelijk in de huidige reguliere SSD's. Hoewel het langzamer is dan MLC, biedt het hogere capaciteiten tegen een lagere prijs vanwege het vermogen om meer gegevens naar een enkele cel te schrijven. De meeste TLC-schijven gebruiken een soort SLC-caching die de prestaties verbetert. Bij gebrek aan een cache is een TLC-schijf niet veel sneller dan een traditionele harde schijf. Voor normale consumenten bieden deze schijven een goede prijs en een prima balans tussen prestatie en prijs. Professionele en professionele gebruikers zouden MLC-schijven van bedrijfskwaliteit moeten overwegen voor nog betere prestaties als ze dat nodig achten.
Quad-Level Cell (QLC):Dit is het volgende niveau van opslagtechnologie dat hogere capaciteiten belooft tegen nog goedkopere prijzen. Het maakt ook gebruik van een cachetechniek om goede snelheden te bieden. Het uithoudingsvermogen kan iets lager zijn met schijven die QLC NAND gebruiken, en aanhoudende schrijfprestaties kunnen lager worden zodra de cache vol raakt. Het zou echter ruimere schijven moeten introduceren tegen betaalbare prijzen.

Dit zijn de huidige vormen van NAND Flash die momenteel bestaan in SSD's van vandaag. Omdat fabrikanten deze ontwerpen altijd innoveren en verbeteren om de prestaties te verbeteren en, misschien nog belangrijker, kosten te besparen, hebben we ook de introductie gezien van iets dat bekend staat als 3D NAND in SSD's.

Zoals eerder besproken, heeft 2D of Planar NAND slechts één laag geheugencellen, terwijl 3D NAND cellen op een gestapelde manier op elkaar legt. Drive-makers leggen nu steeds meer stapels op elkaar, wat leidt tot dichtere, ruimere en goedkopere schijven. Tegenwoordig is 3D NAND Layering heel gewoon geworden, en de meeste reguliere SSD's gebruiken deze techniek. Deze schijven kosten minder dan hun vlakke tegenhangers, omdat het goedkoper is om een dichter, gestapeld flitspakket te vervaardigen in vergelijking met een 2D-pakket. Samsung noemt deze implementatie "V-NAND", terwijl Toshiba het "BISC-Flash" noemde.

Deze techniek stelt de fabrikanten van de schijf ook in staat om in grote volumes SSD's met hogere capaciteiten tegen lagere prijzen te produceren.

Wat is X-NAND

X-NAND is theoretisch de combinatie van de beste dingen over SLC en QLC. In de kern probeert het concept het beste van twee werelden op één plek te brengen en dat is echt wat nodig is om het NAND Flash-technologiesegment vooruit te helpen.

X-NAND-architectuur werd gepresenteerd door de CEO van NEO Semiconductor op de Flash Memory Summit voor 2021. Deze nieuwe architectuur belooft de snelheid van SLC Flash te combineren met de dichtheid en lage prijzen van QLC Flash. Vergeleken met de conventionele QLC NAND is de leestijd tot 30% verbeterd, de programmatijd met 37%, de leesdoorvoer tot 27 keer en de schrijfbandbreedte tot 14 keer. Dit zijn astronomische verbeteringen als we het vergelijken met wat we vandaag beschikbaar hebben, waardoor X-NAND een echt verleidelijke architectuur is om naar uit te kijken in de nabije toekomst.

Voordelen van X-NAND

Andy Hsu, de CEO van NEO Semiconductor, legde de potentiële voordelen van X-NAND uit tijdens de driedaagse virtuele Flash Memory Summit voor 2020. Hieronder volgen enkele van de belangrijke voordelen van X-NAND ten opzichte van de huidige flash-technologieën.

Snelheid

Het beste van X-NAND is de mogelijke samensmelting van de twee beste dingen die we tegenwoordig in SLC en QLC NAND vinden. Momenteel moeten gebruikers een keuze maken tussen de capaciteit en betaalbaarheid van QLC, of de ruwe snelheid van zoiets als een MLC-schijf (aangezien SLC niet vaak meer wordt gebruikt om SSD's voor consumenten te maken). Aangezien X-NAND belooft de snelheden van SLC te combineren met de capaciteit van QLC, hebben we geen reden om eraan te twijfelen dat deze nieuwe technologie belachelijke snelheden gaat opleveren.

Capaciteit

Momenteel is QLC het NAND Flash-type bij uitstek als het gaat om het produceren van SSD's met hoge capaciteit tegen redelijke prijzen. Dit komt omdat het vanwege de architectuur en dichtheid van de QLC-flitser mogelijk is om meer gegevens in de flits op te slaan dan u kunt opslaan in een vergelijkbaar uitgeruste MLC- of zelfs TLC-drive. Door de capaciteitsvoordelen van de langzamere QLC NAND naar de hogere SLC-snelheden te brengen, wordt mogelijk een SSD geproduceerd die het beste van twee werelden combineert, zoals we eerder ontkwamen.

Betaalbaarheid

Er is geen bepaalde informatie over de prijzen van X-NAND op het moment van schrijven, maar als de huidige prijssituatie van SLC en QLC NAND iets te bieden heeft, heeft X-NAND het potentieel om net zo goedkoop te zijn als QLC in de nabije toekomst. QLC is de langzaamste en meest vorm van NAND in SSD's van vandaag, en dus ook de goedkoopste. Hoewel het misschien een beetje een uitdaging is om te zeggen dat X-NAND zeker de QLC-schijven van vandaag zal evenaren of ondergraven, is het potentieel zeker aanwezig en het valt niet te ontkennen. Het budget-SSD-segment is al erg competitief, zoals we opmerkten in onze verzameling van de 5 beste budget-SATA SSD's om in 2021 te kopen, en met X-NAND kan het nog drukker worden.

Mechanisme achter X-NAND

Terwijl consumenten-QLC-schijven sterk afhankelijk zijn van SLC-caching (met een kleine hoeveelheid SLC NAND aan boord om processen te versnellen), vindt X-NAND een manier voor de flitser om de SLC-prestaties gedurende een langere periode te behouden. Dit wordt gedaan door tegelijkertijd SLC- en QLC-schrijfmodi toe te staan, wat geen proces is dat is geïmplementeerd in huidige QLC-schijven.

Zoals te zien is in deze prestatiegrafiek, valt de schrijfdoorvoer van een moderne QLC-schijf van de klif nadat een bepaalde tijd is verstreken. Dit komt doordat de SLC-cache vol is en de schijf moet vertrouwen op de veel langzamere QLC NAND om de gegevens te verplaatsen. Vergelijk dat eens met de X-NAND-grafieklijn die gedurende de test 100% blijft, en het verschil is dag en nacht. Hier kunnen we echt de prestatievoordelen van X-NAND waarderen, die snelheden op SLC-niveau naar een meer betaalbare prijsklasse en capaciteitsniveau brengen.

X-NAND behaalt deze voordelen door van een paginabuffer van 16 KB per vlak naar een paginabuffer van 1 KB per vlak te gaan, maar met zestien keer zoveel vlakken, zoals in een voorbeeld wordt genoemd. Dit kan verder worden begrepen door enkele van de hier gebruikte terminologieën te ontleden. Een vliegtuig is meestal de kleinste eenheid van interleaving voor flits, met een of meer vlakken per flitsdobbelsteen. De paginabuffer bevat gegevens die worden verzonden tussen de bus en de flitser. Een flash-dobbelsteen is verdeeld in vlakken die bitlijnen of reeksen cellen bevatten, zodat vlakke deling de lengte van de bitlijn kan verkleinen en dat helpt de prestaties te verbeteren. De schrijfprestaties kunnen aanzienlijk worden verbeterd door dit proces te gebruiken.

Toekomstige toepassingen

De toekomst ziet er zeker rooskleurig uit als we kijken naar het potentieel van X-NAND. Hoewel het zeker moeilijk te voorspellen is of X-NAND binnenkort een echt levensvatbaar product op de markt zal zijn, lijkt de weg die voor ons ligt vrij goed geplaveid voor de introductie van deze technologie. X-NAND zal zeker de markt van solid-state opslag opschudden als het zijn debuut maakt in de huidige marktsituatie.

Rekening houdend met het potentieel voor verdere verbeteringen en verbetering, kan X-NAND in de toekomst zeker een haalbare kandidaat zijn voor datacenter- en bedrijfsapplicaties. Het belangrijkste in een datacenteromgeving is absoluut de veiligheid en redundantie van de gegevens. Als de geesten achter X-NAND kunnen bedenken hoe ze het uithoudingsvermogen en de betrouwbaarheid van deze NAND kunnen vergroten, dan kan dat zeker een marktsegment zijn waar X-NAND in de nabije toekomst een impact kan hebben.

Wat betreft consumenten-pc's en gaming-applicaties, er is ook veel potentieel in deze ruimte. Momenteel worden potentiële kopers van SSD zeker verscheurd tussen de snelheden van MLC / TLC en de capaciteit en prijsstelling van QLC NAND. De prijsstelling zal zeker een grote rol spelen in het succes van X-NAND op de desktopmarkt voor consumenten, maar we kunnen verwachten dat het beter zal worden zodra de architectuur volwassener wordt en het productieproces meer gestroomlijnd wordt.

Conclusie

Hoewel het misschien te mooi klinkt om waar te zijn, is X-NAND een revolutionaire nieuwe technologie die tot doel heeft de beste delen van SLC- en QLC NAND-typen te combineren. Hoewel het op dit moment misschien niet zo eenvoudig is, kan het potentieel van deze technologie niet worden genegeerd. Dit is niet alleen iets dat een grote vooruitgang kan betekenen op het gebied van datacenters en edge computing, maar ook op de markt voor desktop-pc's voor consumenten en speelautomaten. X-NAND staat nu nog in de kinderschoenen en er is geen product op de markt dat deze NAND-flitser gebruikt op het moment van schrijven, maar het zou spannend moeten zijn om te zien wat de geesten achter X-NAND hebben gepland voor de uiteindelijke lancering in de markt.