NAND s 5 bity na buňku: větší kapacita, ale horší výkon a životnost
Pokud se v PC hardwaru pohybujete deset a více let, pamatujete si asi, jak se v SSD vystřídaly postupně různé typy NAND zvětšující počet bitů uložených v jedné buňce: od SLC přes MLC, TLC a nakonec před relativně méně dávnou dobou QLC se 4 bity na buňku. Tato paměť už byla poněkud problematičtější – výdrží, ale i výkonem. Teď se ale zdá, že tu definitivně budeme mít i PLC, tedy 5 bitů na buňku a ještě větší choulostivost.
Výrobci NAND se netajili s tím, že záznam PLC (Penta-Level Cell) zkoumají – v roce 2019 o PLC NAND mluvila Kioxia (ex-Toshiba) a také Intel. Nicméně QLC NAND od té doby neměla až zas takový úspěch. Zatím moc nenaplnila příslib, že by tyto čipy mohly úložiště výrazněji zlevnit, dnes pořád většinou seženete výhodné SSD s TLC NAND za podobnou cenu, takže nemá smysl si s QLC NAND komplikovat život.
Na PLC vsází jako první Solidigm (ex-Intel)
Mohlo by se zdát, že se do PLC NAND proto výrobci zas tak nepoženou, ale letos během Flash Memory Summitu 2022 bylo odhaleno rovnou první SSD, které paměti NAND Flash se záznamem PLC NAND používá. Je od firmy Solidigm, což je pro nás nové jméno, ale ve skutečnosti starý hráč. Pod touto značkou totiž vystupuje bývalá divize pamětí NAND Intelu, mezitím prodaná Hynixu. PLC NAND je tedy asi výsledkem práce Intelu (možná to nepřekvapí, protože právě Intel nakonec nejvíc tlačil QLC).
SSD s čipy PLC NAND je sice zatím prototyp, ale tento prototyp by měl znamenat, že na PLC NAND se seriózně pracuje a za nějaké dva roky by mohla tato technologie reálně být v prodeji. PLC NAND podle firmy Solidigm má být řešení pro narůstající potřebu ukládání dat ve velkých objemech pro účely trénování AI, big data analytiky, 5G a dalších „buzzwordových“ oblastí. V tom smyslu, že přinese vyšší kapacity a naopak může snížit ceny úložišť (teoreticky). SSD založená na PLC NAND by se mohla více přiblížit ceně HDD, takže by je mohla částečně nahradit v datacentrech.
We believe in the increasing benefits of QLC and PLC #NAND to meet the data-intensive needs of AI, machine learning, big data analytics, and to support 5G. We’re energized for the future and committed to seizing this moment. #TheNewParadigm #FMS2022 #SSD https://t.co/184jvKPGDE pic.twitter.com/AsKWjYujOT
— Solidigm (@solidigm) August 8, 2022
Technologických podrobností zatím moc není, ale firma potvrdila, že její PLC NAND je vyvinutá na principu technologie Floating Gate, což je teď poznávací znamení NAND Flash od Intelu. Ostatní výrobci (Samsung, Toshiba, Hynix a jako poslední i Micron, původně partner Intelu) totiž přešli na technologii Charge-Trap Flash. Podle Solidigm a předtím Intelu je ale silnou stránkou technologie Floating Gate právě škálování na vyšší počty bitů uložených v buňce.
Technologie Floating Gate údajně poskytuje silnou izolaci náboje a distribuci prahů napětí, potřebnou pro mnohobitový záznam. To, že je použitý stejný princip jako u QLC NAND Intelu, z níž Solidigm PLC NAND asi vyvinul, má ale také tu výhodu, že výrobní postup se nebude muset moc změnit. Výroba má běžet na stejných linkách.
PLC: víc kapacity, ale za jakou cenu?
PLC NAND díky tomu, že ukládá pět bitů do jedné buňky, může mít teoreticky při stejné ploše o 25 % vyšší kapacitu než čip QLC. Je to ovšem opravdu teoretické, protože u QLC výrobci museli různě upravit architekturu čipů oproti TLC, aby posílili výdrž a kvalitu signálu, navíc pak také musí být použité náročnější ECC algoritmy (a možná více rezervního místa). Ve výsledku pak úspora může být o něco horší než oněch 25 %.
Problém pro škálování kapacity tímto způsobem je, že choulostivost záznamových buněk roste mnohem rychleji než kapacita. Každý další bit uložený do buňky vyžaduje zdvojnásobení úrovní napětí, které při zápisu a čtení musí být rozlišené. Rozdíl mezi těmito úrovněmi se tedy zmenší na polovinu.
NAND Flash má obecně problém s tím, že časem napětí může degradovat a zároveň se při přepisech (přesněji – při vymazání buňky před jejím novým programováním) degraduje struktura buňky. Tím klesá její schopnost spolehlivě udržet správnou úroveň napětí, která byla při zápisu vytvořena. Zjednodušeně řečeno lze říct, že buňka se stává nespolehlivou tím dřív, čím větší rozlišovací schopnost potřebujete – pro zápis typu QLC, kdy je třeba rozlišit 16 úrovní, ji tedy můžete zahodit po mnohem menším počtu přepisů než při zápisu TLC (8 úrovní napětí). A při PLC zápisu musíte pro uložení 5 bitů rozlišovat 32 úrovní (dvě na pátou), tudíž se problém stává ještě obtížnějším.
Pokud tedy PLC přinese 1,25× zvýšení kapacity, problémy s přepisovací výdrží a spolehlivým čtením dat narostou v mnohem větší míře. Obecně další a další nárůsty počtu bitů na buňku budou mít klesající užitek, ale naopak stoupající negativa. Proto ony pochyby o tom, zda PLC přijde tak brzo po QLC.
PLC se nemusí moc rozšířit
Solidigm zatím neříká, kdy by se SSD s PLC NAND měla objevit na trhu. Realisticky by to mohl být jen třeba rok a půl až dva. Nicméně se tyto čipy ze začátku asi mohou používat jen v hodně specializovaných úložištích sloužících pro archivaci, první použití má být v datacentrových úložištích. Podobně jako pevné disky pracující na principu Host-Managed SMR se možná PLC SSD budou prodávat jen jako speciálně zaměřený produkt pro zákazníky, kteří pro ně mají upotřebení v nějaké přesně definované aplikaci, kde není třeba dosahovat velké přepisovací životnosti. Třeba na archivaci či hosting dat, která nebudou přepsána nikdy, nebo jen párkrát.
Není proto zdaleka jasné, zda se PLC NAND objeví někdy i ve spotřebitelské elektronice a hardwaru pro osobní počítače. Je možné, že zůstane záležitostí velkých firem, hyperscalerů a nás běžné uživatele neovlivní.
Zdroje: Solidigm, Tom’s Hardware
Jan Olšan, redaktor Cnews.cz
⠀
Řešením mohou být pokročilé řadiče umožňující uživatelsky nastavitelný režim, snad se někdy dočkáme.