X-NAND-Technologie erklärt - QLC-Kapazität bei SLC-Geschwindigkeiten

Der Bereich Lagerung hat in den letzten zehn Jahren einige rasche Fortschritte gemacht. Für die längste Zeit waren Festplatten das primäre und einzige Speichermedium, das in Consumer-PCs verwendet wurde. Zu Beginn des letzten Jahrzehnts gab es die revolutionäre Einführung einer neuen Form von Speichermedium, die als Solid State Storage bekannt ist. Jetzt war das Konzept nicht ungewohnt, aber die Implementierung zu Beginn war, gelinde gesagt, nicht verfeinert. Ganz zu schweigen davon, dass die Kosten für verschiedene Arten von Solid-State-Laufwerken im Vergleich zu einer mechanischen Standardfestplatte durch das Dach gingen und Festplatten daher immer noch das Standardmedium für die Speicherung in Consumer-PCs waren.

Später im Jahrzehnt verzehnfachten sich die Fortschritte und Fortschritte auf dem Gebiet der Feststadenspeicherung. Neuere NAND-Flash-Technologien wurden auf den Markt gebracht, schnellere und effizientere Steuerungen wurden eingebaut, die Rohzahlen der Laufwerke stiegen exponentiell an und die Laufwerke wurden auch immer billiger. Viele dieser Änderungen sind in gewisser Weise auf den Fortschritt und die Fortschritte auf dem Gebiet des NAND-Blitzes zurückzuführen. Die verschiedenen Typen und Konfigurationen des NAND-Blitzes ermöglichten es den Herstellern, die Kosten des Laufwerks selbst zu senken und gleichzeitig große Kapazitäten und hohe Geschwindigkeiten beizubehalten. Bevor wir die Geheimnisse von X-NAND aufdecken, müssen wir noch einmal zusammenfassen, was NAND-Flash tatsächlich ist.

NAND

Wie in erklärt Unsere erweiterte Anleitung zum Kauf einer SSD, NAND-Flash ist eine Art nichtflüchtiger Speicher, für dessen Speicherung keine Stromversorgung erforderlich ist. NAND Flash speichert Daten als Blöcke und ist zum Speichern von Daten auf elektrische Schaltkreise angewiesen. Wenn dem Flash-Speicher kein Strom zur Verfügung steht, wird ein Metalloxid-Halbleiter verwendet, um eine zusätzliche Ladung bereitzustellen, wodurch die Daten erhalten bleiben.

Diese Form des Festkörperspeichers ist häufig mit einem sogenannten DRAM-Cache gekoppelt. Dies ist ein schnelleres, aber kleineres Speichermedium, das zusammen mit dem NAND-Flash des Laufwerks arbeitet, um die hohen Geschwindigkeiten zu liefern, für die SSDs bekannt sind. Immer wenn das System die SSD anweist, einige Daten abzurufen, muss das Laufwerk wissen, wo genau die Daten in den Speicherzellen gespeichert sind. Aus diesem Grund führt das Laufwerk eine Art „Karte“, die aktiv verfolgt, wo alle Daten physisch gespeichert sind. Diese "Karte" wird im DRAM-Cache eines Laufwerks gespeichert. Es ist wichtig zu verstehen, dass NAND-Flash am besten funktioniert, wenn es mit einem DRAM-Cache gekoppelt wird.

NAND-Typen

Da X-NAND auch eine neue Art von NAND-Flash ist, müssen wir zunächst die Arten von NAND-Flash zusammenfassen, die bereits in SSDs von heute vorhanden sind.

Single Layer Cell (SLC):Dies ist der allererste Flash-Speichertyp, der als Flash-Speicher verfügbar war. Wie der Name schon sagt, speichert es ein einzelnes Datenbit pro Zelle und ist daher sehr schnell und langlebig. Auf der anderen Seite ist es jedoch nicht sehr dicht in Bezug auf die Datenmenge, die es speichern kann, was es sehr teuer macht. Heutzutage wird es in Mainstream-SSDs nicht häufig verwendet und ist auf sehr schnelle Unternehmenslaufwerke oder kleine Mengen an Cache beschränkt.
Mehrschichtzelle (MLC):Obwohl MLC langsamer ist, bietet es die Möglichkeit, mehr Daten zu einem niedrigeren Preis als SLC zu speichern. Viele dieser Laufwerke verfügen über eine geringe Menge an SLC-Cache (angemessen als SLC-Caching-Technik bezeichnet), um die Geschwindigkeit zu verbessern, wobei der Cache als Schreibpuffer fungiert. MLC wurde heutzutage auch in den meisten Consumer-Laufwerken durch TLC ersetzt, und der MLC-Standard war auf Unternehmenslösungen beschränkt.
Triple-Level-Zelle (DC):TLC ist in den heutigen Mainstream-SSDs immer noch sehr verbreitet. Es ist zwar langsamer als MLC, ermöglicht jedoch höhere Kapazitäten zu einem günstigeren Preis, da mehr Daten in eine einzelne Zelle geschrieben werden können. Die meisten TLC-Laufwerke verwenden eine Art SLC-Caching, das die Leistung verbessert. Ohne Cache ist ein TLC-Laufwerk nicht viel schneller als eine herkömmliche Festplatte. Für normale Verbraucher bieten diese Laufwerke ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Leistung und Preis. Professionelle und professionelle Benutzer sollten MLC-Laufwerke für Unternehmen in Betracht ziehen, um eine noch bessere Leistung zu erzielen, wenn sie dies für richtig halten.
Quad-Level-Zelle (QLC):Dies ist die nächste Stufe der Speichertechnologie, die höhere Kapazitäten zu noch günstigeren Preisen verspricht. Es verwendet auch eine Caching-Technik, um gute Geschwindigkeiten bereitzustellen. Die Lebensdauer kann bei Laufwerken mit QLC-NAND etwas geringer sein, und die anhaltende Schreibleistung kann geringer werden, sobald der Cache voll ist. Es sollte jedoch geräumigere Laufwerke zu erschwinglichen Preisen einführen.

Dies sind die aktuellen Formen von NAND-Flash, die derzeit in SSDs von heute existieren. Da die Hersteller diese Designs ständig innovieren und verbessern, um die Leistung zu verbessern und, was vielleicht noch wichtiger ist, die Kosten zu senken, haben wir auch die Einführung von 3D-NAND in SSDs gesehen.

Wie bereits erwähnt, weist 2D- oder planares NAND nur eine Schicht von Speicherzellen auf, während 3D-NAND Zellen gestapelt übereinander legt. Laufwerkshersteller schichten jetzt immer mehr Stapel übereinander, was zu dichteren, geräumigeren und kostengünstigeren Laufwerken führt. Heutzutage ist 3D-NAND-Layering weit verbreitet, und die meisten gängigen SSDs verwenden diese Technik. Diese Laufwerke kosten weniger als ihre planaren Gegenstücke, da die Herstellung eines dichteren, gestapelten Flash-Pakets im Vergleich zu einem 2D-Gehäuse billiger ist. Samsung nennt diese Implementierung "V-NAND", während Toshiba sie "BISC-Flash" nannte.

Diese Technik ermöglicht es den Herstellern des Laufwerks auch, SSDs mit höheren Kapazitäten zu niedrigeren Preisen in großen Mengen herzustellen.

Was ist X-NAND?

X-NAND ist theoretisch die Kombination der besten Dinge über SLC und QLC. Im Kern versucht das Konzept, das Beste aus beiden Welten an einem Ort zu vereinen, und genau das ist erforderlich, um das Segment der NAND-Flash-Technologie voranzutreiben.

Die X-NAND-Architektur wurde vom CEO von NEO Semiconductor auf dem Flash Memory Summit für 2021 vorgestellt. Diese neue Architektur verspricht, die Geschwindigkeit von SLC Flash mit der Dichte und den niedrigen Preisen von QLC Flash zu kombinieren. Im Vergleich zum herkömmlichen QLC-NAND wird die Lesezeit um bis zu 30%, die Programmierzeit um 37%, der Lesedurchsatz um das 27-fache und die Schreibbandbreite um das bis zu 14-fache verbessert. Dies sind astronomische Verbesserungen, wenn wir sie mit dem vergleichen, was wir heute zur Verfügung haben. Dies macht X-NAND zu einer wirklich verlockenden Architektur, auf die man in naher Zukunft achten sollte.

Vorteile von X-NAND

Andy Hsu, CEO von NEO Semiconductor, erläuterte die potenziellen Vorteile von X-NAND auf dem dreitägigen Virtual Flash Memory Summit für 2020. Im Folgenden sind einige wichtige Vorteile von X-NAND gegenüber aktuellen Flash-Technologien aufgeführt.

Geschwindigkeit

Das Beste an X-NAND ist die mögliche Verschmelzung der beiden besten Dinge, die wir heutzutage in SLC und QLC NAND finden. Derzeit müssen Benutzer zwischen der Kapazität und Erschwinglichkeit von QLC oder der Rohgeschwindigkeit eines MLC-Laufwerks wählen (da SLC nicht mehr häufig zur Herstellung von Consumer-SSDs verwendet wird). Da X-NAND verspricht, die Geschwindigkeiten von SLC mit der Kapazität von QLC zu kombinieren, haben wir keinen Grund zu bezweifeln, dass diese neue Technologie einige lächerliche Geschwindigkeitszahlen liefern wird.

Kapazität

Derzeit ist QLC der NAND-Flash-Typ der Wahl, wenn es darum geht, SSDs mit hoher Kapazität zu angemessenen Preisen herzustellen. Dies liegt daran, dass aufgrund der Architektur und Dichte des QLC-Flashs mehr Daten im Flash gespeichert werden können, als Sie in einem ähnlich ausgestatteten MLC- oder sogar TLC-Laufwerk speichern können. Wenn Sie die Kapazitätsvorteile des langsameren QLC-NAND auf die schnelleren SLC-Geschwindigkeiten übertragen, wird möglicherweise eine SSD erzeugt, die das Beste aus beiden Welten kombiniert, wie wir es zuvor vermieden haben.

Bezahlbarkeit

Es gibt zum Zeitpunkt des Schreibens keine bestimmten Informationen bezüglich der Preisgestaltung von X-NAND, aber wenn die aktuelle Preissituation von SLC und QLC NAND von Bedeutung ist, hat X-NAND das Potenzial, so günstig wie QLC in der EU zu sein nahe Zukunft. QLC ist die langsamste und am meisten verwendete Form von NAND in SSDs von heute und daher auch die billigste. Es mag ein bisschen schwierig sein zu sagen, dass X-NAND definitiv mit den heutigen QLC-Laufwerken übereinstimmen oder diese unterbieten wird, aber das Potenzial ist definitiv vorhanden und es ist unbestreitbar. Das Budget-SSD-Segment ist bereits sehr wettbewerbsfähig, wie wir in unserer Zusammenfassung der 5 besten Budget-SATA-SSDs für 2021 festgestellt haben. Mit X-NAND hat es das Potenzial, noch überfüllter zu werden.

Mechanismus hinter X-NAND

Während Consumer-QLC-Laufwerke stark vom SLC-Caching abhängen (mit einer geringen Menge an SLC-NAND an Bord, um Prozesse zu beschleunigen), findet X-NAND eine Möglichkeit für den Flash, die SLC-Leistung über einen längeren Zeitraum aufrechtzuerhalten. Dies erfolgt durch gleichzeitiges Zulassen von SLC- und QLC-Schreibmodi, was in aktuellen QLC-Laufwerken nicht implementiert ist.

Wie in diesem Leistungsdiagramm zu sehen ist, fällt der Schreibdurchsatz eines modernen QLC-Laufwerks nach Ablauf einer bestimmten Zeit von der Klippe. Dies liegt daran, dass der SLC-Cache voll ist und das Laufwerk sich auf sein viel langsameres QLC-NAND verlassen muss, um die Daten zu verschieben. Vergleichen Sie dies mit der X-NAND-Diagrammlinie, die während des gesamten Tests bei 100% bleibt, und der Unterschied ist Tag und Nacht. Hier können wir die Leistungsvorteile von X-NAND wirklich schätzen, die Geschwindigkeiten auf SLC-Ebene auf ein günstigeres Preis- und Kapazitätsniveau bringen.

X-NAND erzielt diese Gewinne, indem es von einem 16-KB-Seitenpuffer pro Ebene zu einem 1-KB-Seitenpuffer pro Ebene wechselt, jedoch mit dem 16-fachen der Ebenen, wie in einem Beispiel angegeben. Dies kann weiter verstanden werden, indem einige der hier verwendeten Terminologien analysiert werden. Eine Ebene ist in der Regel die kleinste Verschachtelungseinheit für den Blitz, mit einer oder mehreren Ebenen pro Blitzstempel. Der Seitenpuffer enthält Daten, die zwischen dem Bus und dem Flash übertragen werden. Ein Flash-Chip ist in Ebenen unterteilt, die Bitleitungen oder Zellketten enthalten, sodass durch planare Teilung die Länge der Bitleitung verringert werden kann und die Leistung gesteigert wird. Mit diesem Verfahren kann die Schreibleistung erheblich gesteigert werden.

Zukünftige Anwendungen

Die Zukunft scheint sicherlich vielversprechend, wenn wir uns das Potenzial von X-NAND ansehen. Während es sicherlich schwierig ist vorherzusagen, ob X-NAND bald ein tatsächlich tragfähiges Produkt auf dem Markt sein wird oder nicht, scheint der Weg für die Einführung dieser Technologie ziemlich gut vorbereitet zu sein. X-NAND wird definitiv einer sein, der den Markt für Festkörperspeicher erschüttert, wenn es in der aktuellen Marktsituation sein Debüt gibt.

Angesichts des Potenzials für weitere Verbesserungen und Verbesserungen kann X-NAND in Zukunft definitiv ein praktikabler Kandidat für Rechenzentrums- und Unternehmensanwendungen sein. Das Wichtigste in einer Rechenzentrumsumgebung ist definitiv die Sicherheit und Redundanz der Daten. Wenn die Köpfe hinter X-NAND herausfinden können, wie die Lebensdauer und Zuverlässigkeit dieses NAND erhöht werden kann, kann dies definitiv ein Marktsegment sein, in dem X-NAND in naher Zukunft Auswirkungen haben kann.

Auch in Bezug auf Consumer-PCs und Spieleanwendungen gibt es auch in diesem Bereich ein großes Potenzial. Derzeit sind potenzielle SSD-Käufer definitiv zwischen der Geschwindigkeit von MLC / TLC und der Kapazität und Preisgestaltung von QLC NAND hin- und hergerissen. Die Preisgestaltung wird definitiv eine große Rolle für den Erfolg von X-NAND auf dem Consumer-Desktop-Markt spielen, aber wir können davon ausgehen, dass es besser wird, wenn die Architektur ausgereifter und der Herstellungsprozess rationaler wird.

Fazit

Während es zu gut klingt, um wahr zu sein, ist X-NAND eine revolutionäre neue Technologie, die darauf abzielt, die besten Teile der SLC- und QLC-NAND-Typen zu kombinieren. Obwohl dies derzeit möglicherweise nicht so einfach ist, kann das Potenzial dieser Technologie nicht ignoriert werden. Dies kann nicht nur ein großer Fortschritt im Bereich Rechenzentren und Edge-Computing sein, sondern auch auf dem Markt für Desktop-PCs und Spielautomaten für Endverbraucher. X-NAND steckt derzeit noch in den Kinderschuhen und es gibt zum Zeitpunkt des Schreibens noch kein Produkt auf dem Markt, das diesen NAND-Blitz verwendet. Es sollte jedoch spannend sein zu sehen, was die Köpfe hinter X-NAND für den späteren Start geplant haben der Markt.