X-NAND-teknologi forklaret - QLC-kapacitet ved SLC-hastigheder

Opbevaringsområdet har set nogle hurtige fremskridt i det sidste årti. I længst tid var harddiske det primære og eneste lagermedium, der blev brugt i pc'er til forbrugere. Ved begyndelsen af det foregående årti var der den revolutionerende introduktion af en ny form for lagermedium kendt som Solid State Storage. Nu var konceptet ikke ukendt, men implementeringen i starten var mildt sagt uraffineret. For ikke at nævne omkostningerne ved forskellige typer solid state-drev var gennem taget sammenlignet med en standard mekanisk harddisk, og derfor var harddiske stadig standardmediet til opbevaring i pc'er til forbrugere.

Senere i årtiet steg fremskridt og progression inden for opbevaring af solide scener ti gange. Nyere NAND-flashteknologier blev bragt på markedet, hurtigere og mere effektive controllere blev bagt ind, drevets rå antal skød eksponentielt op, og drevene blev også billigere og billigere. Mange af disse ændringer må tilskrives på et eller andet niveau fremskridt og fremskridt inden for NAND-flash. De forskellige typer og konfigurationer af NAND-flash tillod producenterne at sænke omkostningerne ved selve drevet, mens de stadig opretholder store kapaciteter og høje hastigheder. Inden vi afslører hemmelighederne ved X-NAND, er vi nødt til at opsummere, hvad NAND-flash faktisk er.

NAND

Som forklaret i vores avancerede guide til køb af en SSD, NAND-flash er en type ikke-flygtig hukommelse, der ikke kræver strøm for at gemme data. NAND Flash gemmer data som blokke og er afhængige af elektriske kredsløb til at gemme data. Når der ikke er strøm til flashhukommelsen, bruger den en metaloxid-halvleder til at give et ekstra gebyr og holder således dataene.

Denne form for solid state-lagring er ofte kombineret med noget, der kaldes en DRAM-cache. Dette er et hurtigere, men mindre lagringsmedium, der fungerer sammen med drevets NAND-flash for at levere de høje hastigheder, som SSD'er er berømte for. Når systemet instruerer SSD'en om at hente nogle data, skal drevet vide, hvor dataene nøjagtigt er gemt inde i hukommelsescellerne. Af denne grund holder drevet en slags "kort", der aktivt sporer, hvor alle data er fysisk lagret. Dette "kort" er gemt på et drevs DRAM-cache. Det er vigtigt at forstå, at NAND-flash fungerer bedst, når det parres med en DRAM-cache.

NAND-typer

Da X-NAND også er en ny type NAND-flash, skal vi først opsummere de typer NAND Flash, der allerede findes i SSD'er i dag.

Single Layer Cell (SLC):Dette er den allerførste type flashhukommelse, der var tilgængelig som flashlager. Som navnet antyder, gemmer den en enkelt bit data pr. Celle og er derfor meget hurtig og langvarig. På bagsiden er det dog ikke særlig tæt på, hvor meget data det kan gemme, hvilket gør det meget dyrt. I dag bruges det ikke almindeligt i almindelige SSD'er og er begrænset til meget hurtige virksomhedsdrev eller små mængder cache.
Multi-Layer Cell (MLC):På trods af at det er langsommere giver MLC valget om at gemme flere data til en lavere pris end SLC. Mange af disse drev har en lille mængde SLC-cache (tilstrækkeligt navngivet SLC-cacheteknik) for at forbedre hastigheder, hvorved cachen fungerer som en skrivebuffer. MLC er også i dag blevet erstattet af TLC i de fleste forbrugsdrev, og MLC-standarden har været begrænset til virksomhedsløsninger.
Triple-Level Cell (TLC):TLC er stadig meget almindelig i nutidens mainstream SSD'er. Mens det er langsommere end MLC, giver det mulighed for højere kapaciteter til en billigere pris på grund af dets evne til at skrive flere data til en enkelt celle. De fleste af TLC-drevne anvender en slags SLC-caching, som forbedrer ydeevnen. I mangel af en cache er et TLC-drev ikke meget hurtigere end en traditionel harddisk. For normale forbrugere tilbyder disse drev god værdi og en fin balance mellem ydeevne og pris. Professionelle og professionelle brugere bør overveje MLC-drev i virksomhedsklasse for endnu bedre ydeevne, hvis de finder det passende.
Quad-Level Cell (QLC):Dette er det næste niveau af lagringsteknologi, der lover højere kapacitet til endnu billigere priser. Det anvender også en cacheteknik til at give gode hastigheder. Udholdenhed kan være lidt lavere med drev, der bruger QLC NAND, og vedvarende skriveydelse kan blive lavere, når cachen fyldes op. Det bør dog introducere mere rummelige drev til overkommelige priser.

Dette er de nuværende former for NAND Flash, der i øjeblikket findes i SSD'er i dag. Da producenter altid fornyer og forbedrer disse designs for at forbedre ydeevnen og vigtigere måske reducere omkostningerne, har vi også set introduktionen af noget kendt som 3D NAND i SSD'er.

Som tidligere beskrevet har 2D eller Planar NAND kun ét lag hukommelsesceller, mens 3D NAND lag celler oven på hinanden på en stablet måde. Drevproducenter lægger nu flere og flere stakke oven på hinanden, hvilket fører til tættere, mere rummelige og billigere drev. I dag er 3D NAND Layering blevet rigtig almindelig, og de fleste almindelige SSD'er anvender denne teknik. Disse drev koster mindre end deres plane kolleger, fordi det er billigere at fremstille en tættere, stablet flashpakke sammenlignet med en 2D. Samsung kalder denne implementering "V-NAND", mens Toshiba kaldte den "BISC-Flash".

Denne teknik tillader også producenterne af drevet at producere SSD'er med højere kapacitet til lavere priser i store mængder.

Hvad er X-NAND

X-NAND er teoretisk en kombination af de bedste ting ved SLC og QLC. I sin kerne forsøger konceptet at bringe det bedste fra begge verdener ét sted, og det er virkelig det, der er nødvendigt for at skubbe NAND Flash-teknologisegmentet fremad.

X-NAND-arkitektur blev præsenteret af administrerende direktør for NEO Semiconductor på Flash-hukommelsestopmødet i 2021. Denne nye arkitektur lover at kombinere SLC Flash's hastighed med tætheden og lave priser på QLC Flash. Sammenlignet med den traditionelle QLC NAND forbedres læsetiden med op til 30%, programtiden med 37%, læsegennemstrømningen med op til 27 gange og skrivbåndbredden med op til 14 gange. Dette er astronomiske forbedringer, når vi sammenligner det med det, vi har til rådighed i dag, hvilket gør X-NAND til en virkelig lokkende arkitektur at se efter i den nærmeste fremtid.

Fordele ved X-NAND

Andy Hsu, administrerende direktør for NEO Semiconductor, forklarede de potentielle fordele ved X-NAND i det tredages virtuelle Flash Memory Summit for 2020. Følgende er nogle af X-NANDs vigtige fordele i forhold til de nuværende flashteknologier.

Fart

Det bedste ved X-NAND er den mulige sammenlægning af de to bedste ting, vi finder i SLC og QLC NAND i dag. I øjeblikket er brugerne nødt til at vælge mellem kapacitet og overkommelige priser for QLC eller råhastigheden af noget som et MLC-drev (da SLC ikke længere bruges til at lave SSD'er til forbrugere). Da X-NAND lover at kombinere SLC-hastigheder med QLC-kapacitet, har vi ingen grund til at tvivle på, at denne nye teknologi vil levere nogle latterlige hastighedstal.

Kapacitet

I øjeblikket er QLC den valgte NAND Flash-type, når det kommer til fremstilling af SSD'er med høj kapacitet til rimelige priser. Dette skyldes, at det på grund af QLC-flashens arkitektur og tæthed er muligt at gemme flere data i flashen, end du kan klare at gemme i et lignende udstyret MLC eller endda TLC-drev. At bringe kapacitetsfordelene ved den langsommere QLC NAND til SLC-hastigheder med højere hastighed vil muligvis producere en SSD, der kombinerer det bedste fra begge verdener, som vi undgik tidligere.

Overkommelighed

Der er ingen visse oplysninger om prisfastsættelsen af X-NAND i skrivende stund, men hvis den nuværende prissituation for SLC og QLC NAND er noget at gå forbi, har X-NAND potentialet til at være lige så billig som QLC i nær fremtid. QLC er den langsomste og mest form for NAND i SSD'er i dag, og dermed er den også den billigste. Selvom det kan være en smule strækning at sige, at X-NAND helt sikkert vil matche eller underskrive dagens QLC-drev, er potentialet bestemt til stede, og det kan ikke benægtes. Budget-SSD-segmentet er allerede meget konkurrencedygtigt, som vi bemærkede i vores sammenfatning af de 5 bedste budget-SATA-SSD'er, der skal købes i 2021, og med X-NAND har det potentialet til at blive endnu mere overfyldt.

Mekanisme bag X-NAND

Mens forbrugers QLC-drev er stærkt afhængige af SLC-caching (med en lille mængde SLC NAND om bord for at fremskynde processer), finder X-NAND en måde, hvorpå flashen kan opretholde SLC-ydelsen i en længere periode. Dette gøres ved samtidig at tillade SLC- og QLC-skrivetilstande, som ikke er en proces implementeret i nuværende QLC-drev.

Som det kan ses i dette præstationsdiagram, falder skrivegennemstrømningen af et moderne QLC-drev fra klippen, efter at en bestemt periode er gået. Dette skyldes, at SLC-cachen er fuld, og drevet skal stole på dens meget langsommere QLC NAND for at flytte dataene. Sammenlign det med X-NAND-graflinjen, som forbliver 100% under hele testen, og forskellen er nat og dag. Her kan vi virkelig sætte pris på ydelsesfordelene ved X-NAND, som bringer SLC-niveauhastigheder til et mere overkommeligt prisklasse og kapacitetsniveau.

X-NAND opnår disse gevinster ved at gå fra en 16KB-sidebuffer pr. Plan til en 1KB-sidebuffer pr. Plan, men med seksten gange flyene som nævnt i et eksempel. Dette kan yderligere forstås ved at dissekere nogle af de anvendte terminologier her. Et plan har tendens til at være den mindste enhed til sammenfladning for flash, med et eller flere plan pr. Flashdør. Sidebufferen holder data i transit mellem bussen og flashen. En flash-matrix er opdelt i planer, der indeholder bitlinjer eller cellestrenge, så plan division kan reducere bitlinjens længde, og det hjælper med at øge ydeevnen. Skrivydelse kan øges ganske betydeligt ved hjælp af denne proces.

Fremtidige applikationer

Fremtiden ser bestemt lys ud, hvis vi ser på X-NANDs potentiale. Selvom det bestemt er vanskeligt at forudsige, om X-NAND vil være et faktisk levedygtigt produkt på markedet, når som helst snart, ser vejen frem til at være ret godt banet for introduktionen af denne teknologi. X-NAND vil helt sikkert være en, der ryster markedet for solid state-opbevaring, hvis det debuterer i den nuværende markedssituation.

I betragtning af potentialet for yderligere forbedringer og polering kan X-NAND helt sikkert være en levedygtig kandidat til datacenter og virksomhedsapplikationer i fremtiden. Det vigtigste i en datacenterindstilling er absolut sikkerheden og redundansen af dataene. Hvis sindene bag X-NAND kan finde ud af, hvordan man øger udholdenheden og pålideligheden af denne NAND, kan det helt sikkert være et markedssegment, hvor X-NAND kan have indflydelse i den nærmeste fremtid.

Hvad forbruger-pc'er og spilapplikationer angår, er der også meget potentiale i dette rum. I øjeblikket er potentielle SSD-købere bestemt revet mellem hastighederne på MLC / TLC og kapacitet og prisfastsættelse af QLC NAND. Priser vil helt sikkert spille en stor rolle i X-NANDs succes på markedet for desktop-forbrugere, men vi kan forvente, at det bliver bedre, når arkitekturen bliver mere moden, og fremstillingsprocessen bliver mere strømlinet.

Konklusion

Selvom det måske lyder for godt til at være sandt, er X-NAND en revolutionerende ny teknologi, der sigter mod at kombinere de bedste dele af SLC og QLC NAND-typer. Selvom det måske ikke er så simpelt som det lige nu, kan potentialet for denne teknologi ikke ignoreres. Ikke kun er dette noget, der kan være et stort fremskridt inden for datacentre og edge computing, men også på markedet for stationære pc'er og spilmaskiner til forbrugere. X-NAND er stadig i sin barndom lige nu, og der er intet produkt på markedet, der bruger denne NAND-flash i skrivende stund, men det burde være spændende at se, hvad hjerne bag X-NAND har planlagt til sin eventuelle lancering i markedet.