X-NAND-teknologi forklart - QLC-kapasitet ved SLC-hastigheter

Lagringsfeltet har sett noen raske fremskritt det siste tiåret. I lengst tid var harddisker det primære og eneste lagringsmediet som ble brukt i PC-er for forbrukerne. Ved begynnelsen av forrige tiår var det den revolusjonerende introduksjonen av en ny form for lagringsmedium kjent som Solid State Storage. Nå var ikke konseptet ukjent, men implementeringen i starten var mildt sagt uraffinert. For ikke å nevne kostnadene for forskjellige typer solid state-stasjoner var gjennom taket sammenlignet med en standard mekanisk harddisk, og dermed var harddisker fremdeles standardmediet for lagring i PC-er for forbrukerne.

Senere på tiåret steg fremgangen og progresjonen innen solid scenelagring ti ganger. Nyere NAND-flashteknologier ble brakt til markedet, raskere og mer effektive kontrollere ble bakt inn, rånumrene på stasjonene skjøt eksponentielt opp, og stasjonene ble også billigere og billigere. Mange av disse endringene må tilskrives på et eller annet nivå progresjon og fremskritt innen NAND-flash. De forskjellige typene og konfigurasjonene av NAND-blitsen tillot produsentene å redusere kostnadene for selve stasjonen, mens de fortsatt opprettholder store kapasiteter og høye hastigheter. Før vi avslører hemmelighetene til X-NAND, må vi oppsummere hva NAND-blits faktisk er.

NAND

Som forklart i vår avanserte guide til å kjøpe en SSD, NAND flash er en type ikke-flyktig minne som ikke krever strøm for å lagre data. NAND Flash lagrer data som blokker og er avhengig av elektriske kretser for å lagre data. Når det ikke er tilgjengelig strøm til flashminnet, bruker den en metalloksyd halvleder for å gi en ekstra kostnad, og dermed beholder dataene.

Denne formen for solid state-lagring er ofte kombinert med noe som kalles en DRAM-cache. Dette er et raskere, men mindre lagringsmedium som fungerer sammen med NAND-blitsen på stasjonen for å levere de høye hastighetene som SSD-er er kjent for. Når systemet instruerer SSD-en om å hente data, må stasjonen vite hvor dataene er lagret i minnecellene. Av denne grunn holder stasjonen et slags "kart" som aktivt sporer hvor alle dataene er fysisk lagret. Dette "kartet" er lagret på DRAM-hurtigbufferen på en stasjon. Det er viktig å forstå at NAND-flash fungerer best når det er paret med en DRAM-cache.

NAND-typer

Ettersom X-NAND også er en ny type NAND-flash, må vi først oppsummere hvilke typer NAND Flash som allerede finnes i SSD-er i dag.

Single Layer Cell (SLC):Dette er den aller første typen flashminne som var tilgjengelig som flashlagring. Som navnet antyder, lagrer den en enkelt bit data per celle og er derfor veldig rask og langvarig. På baksiden er det imidlertid ikke veldig tett når det gjelder hvor mye data det kan lagre, noe som gjør det veldig dyrt. I dag brukes det ikke ofte i vanlige SSD-er og er begrenset til veldig raske bedriftsstasjoner eller små mengder hurtigbuffer.
Flerlagscelle (MLC):Til tross for at den er tregere, gir MLC valget om å lagre mer data til en lavere pris enn SLC. Mange av disse stasjonene har en liten mengde SLC-hurtigbuffer (tilstrekkelig kalt SLC-hurtigbufringsteknikk) for å forbedre hastighetene der hurtigbufferen fungerer som en skrivebuffer. MLC har også blitt erstattet i dag av TLC i de fleste forbrukerstasjoner, og MLC-standarden har vært begrenset til bedriftsløsninger.
Trippelnivåcelle (TLC):TLC er fortsatt veldig vanlig i dagens vanlige SSD-er. Selv om den er tregere enn MLC, tillater den høyere kapasitet til en billigere pris på grunn av dens evne til å skrive mer data til en enkelt celle. De fleste av TLC-stasjonene bruker en slags SLC-caching som forbedrer ytelsen. I fravær av hurtigbuffer er en TLC-stasjon ikke mye raskere enn en tradisjonell harddisk. For vanlige forbrukere tilbyr disse stasjonene god verdi og en fin balanse mellom ytelse og pris. Profesjonelle brukere og prosumer-brukere bør vurdere MLC-stasjoner av bedriftsklasse for enda bedre ytelse hvis de ønsker det.
Quad-Level Cell (QLC):Dette er neste nivå av lagringsteknologi som lover høyere kapasitet til enda billigere priser. Det benytter også en caching-teknikk for å gi gode hastigheter. Utholdenhet kan være litt lavere med stasjoner som bruker QLC NAND, og vedvarende skriveytelse kan bli lavere når hurtigbufferen fylles opp. Imidlertid bør det introdusere mer romslige stasjoner til rimelige priser.

Dette er de nåværende formene for NAND Flash som for tiden eksisterer i SSD-er i dag. Siden produsenter alltid innoverer og forbedrer disse designene for å forbedre ytelsen og, enda viktigere, redusere kostnadene, har vi også sett introduksjonen av noe kjent som 3D NAND i SSD-er.

Som dekket tidligere har 2D eller Planar NAND bare ett lag med minneceller, mens 3D NAND lag celler oppå hverandre på en stablet måte. Stasjonsprodusenter legger nå flere og flere stabler oppå hverandre, noe som fører til tettere, mer romslige og billigere stasjoner. I dag har 3D NAND Layering blitt veldig vanlig, og de fleste vanlige SSD-er bruker denne teknikken. Disse stasjonene koster mindre enn sine plane kolleger, fordi det er billigere å produsere en tettere, stablet blitzpakke sammenlignet med en 2D. Samsung kaller denne implementeringen "V-NAND" mens Toshiba kalte den "BISC-Flash".

Denne teknikken lar også produsentene av stasjonen produsere SSD-er med høyere kapasitet til lavere priser i store volumer.

Hva er X-NAND

X-NAND er teoretisk sett en kombinasjon av de beste tingene med SLC og QLC. I sin kjerne prøver konseptet å bringe det beste fra begge verdener på ett sted, og det er virkelig det som trengs for å skyve NAND Flash-teknologisegmentet fremover.

X-NAND-arkitektur ble presentert av administrerende direktør i NEO Semiconductor på Flash-minnetoppmøtet for 2021. Denne nye arkitekturen lover å kombinere hastigheten til SLC Flash med tettheten og lave priser på QLC Flash. Sammenlignet med konvensjonell QLC NAND forbedres lesetiden med opptil 30%, programtiden med 37%, lesegjennomstrømningen med opptil 27 ganger og skrivbåndbredden med opptil 14 ganger. Dette er astronomiske forbedringer når vi sammenligner det med det vi har tilgjengelig i dag, noe som gjør X-NAND til en virkelig fristende arkitektur å se etter i nær fremtid.

Fordeler med X-NAND

Andy Hsu, administrerende direktør i NEO Semiconductor, forklarte de potensielle fordelene med X-NAND i det tredagers virtuelle Flash Memory Summit for 2020. Følgende er noen av X-NANDs viktige fordeler i forhold til dagens flash-teknologi.

Hastighet

Det beste med X-NAND er den potensielle sammenslåingen av de to beste tingene vi finner i SLC og QLC NAND i dag. Foreløpig må brukerne velge mellom kapasitet og overkommelig pris for QLC, eller råhastigheten til noe som en MLC-stasjon (siden SLC ikke ofte brukes til å lage SSD-er til forbruker lenger). Siden X-NAND lover å kombinere hastighetene til SLC med kapasiteten til QLC, har vi ingen grunn til å tvile på at denne nye teknologien kommer til å levere noen latterlige hastighetstall.

Kapasitet

For øyeblikket er QLC den valgte NAND Flash-typen når det gjelder produksjon av SSD-er med høy kapasitet til rimelige priser. Dette skyldes at det på grunn av arkitekturen og tettheten til QLC-blitsen er mulig å lagre mer data i blitsen enn du klarer å lagre i en lignende utstyrt MLC eller til og med TLC-stasjon. Å bringe kapasitetsfordelene med den langsommere QLC NAND til høyhastighets SLC-hastigheter, vil potensielt produsere en SSD som kombinerer det beste fra begge verdener som vi unngikk tidligere.

Rimelig

Det er ingen sikker informasjon om prisingen av X-NAND i skrivende stund, men hvis den nåværende prissituasjonen for SLC og QLC NAND er noe å gå etter, har X-NAND potensialet til å være så billig som QLC i nær fremtid. QLC er den tregeste og mest form for NAND i SSD-er i dag, og dermed er den også den billigste. Selv om det kan være litt strekk å si at X-NAND definitivt vil matche eller undergrave dagens QLC-stasjoner, er potensialet definitivt til stede, og det er ubestridelig. Budsjettet SSD-segmentet er allerede veldig konkurransedyktig som vi bemerket i vår sammendrag av de 5 beste budsjett-SATA-SSD-ene å kjøpe i 2021, og med X-NAND har det potensialet til å bli enda mer overfylt.

Mekanisme bak X-NAND

Mens QLC-stasjoner for forbrukerne er veldig avhengige av SLC-caching (med en liten mengde SLC NAND ombord for å øke hastigheten på prosessene), finner X-NAND en måte for blitsen å opprettholde SLC-ytelsen over lengre tid. Dette gjøres ved samtidig å tillate SLC- og QLC-skrivemodus som ikke er en prosess implementert i dagens QLC-stasjoner.

Som det kan sees i dette ytelseskartet, faller gjennomstrømningen til en moderne QLC-stasjon av klippen etter at en viss periode har gått. Dette skyldes at SLC-hurtigbufferen er full og stasjonen må stole på at den er mye langsommere QLC NAND for å flytte dataene. Sammenlign det med X-NAND-graflinjen som holder seg 100% gjennom hele testen, og forskjellen er natt og dag. Her kan vi virkelig sette pris på ytelsesfordelene med X-NAND som bringer SLC-nivåhastigheter til et rimeligere prisklasse og kapasitetsnivå.

X-NAND oppnår disse gevinstene ved å gå fra en 16KB sidebuffer per plan til en 1KB sidebuffer per plan, men med seksten ganger flyene, som nevnt i ett eksempel. Dette kan forstås ytterligere ved å dissekere noen av terminologiene som brukes her. Et fly har en tendens til å være den minste enheten for sammenfletting for blits, med ett eller flere fly per blitsdø. Sidebufferen holder data under transport mellom bussen og blitsen. En flash-dys er delt inn i plan som inneholder bitlinjer eller cellestrenger, slik at plan oppdeling kan redusere bitlinjens lengde, og som hjelper til med å øke ytelsen. Skriveytelse kan økes ganske betydelig ved å bruke denne prosessen.

Fremtidige applikasjoner

Fremtiden virker absolutt lys hvis vi tar en titt på potensialet til X-NAND. Selv om det absolutt er vanskelig å forutsi om X-NAND vil være et faktisk levedyktig produkt i markedet snart, synes veien fremover å være ganske godt asfaltert for innføringen av denne teknologien. X-NAND vil definitivt være en som ryster markedet for solid state-lagring hvis den debuterer i den nåværende markedssituasjonen.

Med tanke på potensialet for ytterligere forbedringer og polering, kan X-NAND definitivt være en levedyktig kandidat for datasenter og bedriftsapplikasjoner i fremtiden. Det viktigste i datasentrene er definitivt sikkerheten og redundansen til dataene. Hvis tankene bak X-NAND kan finne ut hvordan du kan øke utholdenheten og påliteligheten til denne NAND, kan det definitivt være et markedssegment der X-NAND kan ha innvirkning i nær fremtid.

Så langt forbruker-PC-er og spillapplikasjoner går, er det også mye potensial i dette rommet. For tiden er potensielle SSD-kjøpere definitivt revet mellom hastighetene til MLC / TLC og kapasiteten og prisingen til QLC NAND. Priser vil definitivt spille en stor rolle i suksessen til X-NAND i markedet for stasjonære forbrukere, men vi kan forvente at den blir bedre når arkitekturen blir modnere og produksjonsprosessen blir mer strømlinjeformet.

Konklusjon

Selv om det kan høres for bra ut til å være sant, er X-NAND en revolusjonerende ny teknologi som tar sikte på å kombinere de beste delene av SLC og QLC NAND-typer. Selv om det kanskje ikke er så enkelt som akkurat nå, kan ikke potensialet for denne teknologien ignoreres. Ikke bare er dette noe som kan være et stort fremskritt innen datasentre og edge computing, men også i markedet for stasjonære PC-er og spillmaskiner. X-NAND er fremdeles i sin spede begynnelse akkurat nå, og det er ikke noe produkt på markedet som bruker denne NAND-blitsen i skrivende stund, men det burde være spennende å se hva hjernen bak X-NAND har planlagt for sin eventuelle lansering i markedet.