Im letzten Jahrzehnt ist die Datenmenge aufgrund des technologischen Fortschritts im Bereich „Internet der Dinge“ exponentiell gewachsen. Das exponentielle Datenwachstum erfordert eine Weiterentwicklung der Speichertechnologie zur Speicherung der generierten Daten. Festplatten (HDD) und Solid-State-Laufwerke (SSD), zwei Hauptspeicherformen in modernen Computersystemen, haben ihre Speicherkapazität erhöht, um der Nachfrage gerecht zu werden.
Die Festplattenindustrie nutzt jetzt wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung oder mikrowellenunterstützte magnetische Aufzeichnung, um die Laufwerkskapazität zu erhöhen. SSD-Hersteller haben der Nachfrage nach höherer Kapazität Rechnung getragen, indem sie mehr Bits pro NAND-Speicherzelle gespeichert haben.
NAND-Flash-Technologie
Die NAND-Flash-Technologie begann mit der Speicherung eines einzelnen Bits pro Zelle – und diese Zelle wird Single Level Cell (SLC) genannt. SLC NAND bietet hohen Durchsatz, hohe Ausdauer und geringe Latenz, verfügt jedoch über eine geringe Kapazität. Die NAND-Technologie wurde weiterentwickelt und ermöglichte die Speicherung von zwei Bits pro Aufruf. Sie wird als „Multi Level Cell“ (MLC) bezeichnet. MLC NAND bietet die doppelte Kapazität von SLC NAND, hat jedoch einen geringeren Durchsatz und eine geringere Ausdauer. Eine weitere Weiterentwicklung der NAND-Technologie ermöglichte die Speicherung von drei Bits pro Zelle – und wird als Three Level Cell (TLC) bezeichnet. TLC NAND verfügt über die dreifache Kapazität von SLC NAND, weist jedoch einen viel geringeren Durchsatz und eine geringere Lebensdauer auf. Die neueste NAND-Technologie speichert vier Bits pro Zelle – oder Quad Level Cell (QLC). QLC NAND bietet die vierfache SLC-Kapazität, weist jedoch einen viel geringeren Durchsatz und eine geringere Lebensdauer auf.
So gehen Sie QLC-NAND-Kompromisse an
QLC NAND erfüllt den erhöhten Kapazitätsbedarf, geht jedoch mit dem Nachteil eines langsameren Durchsatzes und einer geringeren Ausdauer einher. Eine Möglichkeit, dem langsameren Durchsatz und der geringeren Ausdauer von QLC entgegenzuwirken, besteht darin, einen kleinen SLC-Cache auf dem Laufwerk hinzuzufügen. Daten vom Host werden zuerst in den SLC-Cache geschrieben und dann werden die Daten nach QLC verschoben. Der vom Host gesehene Durchsatz hängt von der Arbeitslast ab. Wenn die Größe der zu schreibenden Daten kleiner als die SLC-Cache-Größe ist, wird der Host einen SLC-Durchsatz erzielen. Wenn die zu schreibenden Daten größer sind als die SLC-Cache-Größe, wird die Kombination aus SLC- und QLC-Leistung sichtbar.
Der SLC-Cache kann auch die Ausdauerprobleme von QLC NAND für bestimmte Arbeitslasten lösen. Wenn der Host einen bestimmten LBA-Bereich (Logical Block Address) schreibt und neu schreibt und der LBA-Bereich kleiner als die SLC-Cache-Größe ist, werden die Daten im SLC-Cache ungültig gemacht und nur die endgültige Kopie der LBA wird nach QLC verschoben.
Maximieren Sie den Nutzen der Verwendung eines SLC-Cache
Um den Nutzen eines SLC-Cache zu maximieren, unterstützt NAND Flash die Verwendung von QLC NAND im SLC-Modus. In diesem Modus wird die QLC-Zelle nur zum Speichern eines einzelnen Bits verwendet. Dadurch wird die Kapazität um ein Viertel reduziert, der Durchsatz und die Lebensdauer einer SLC-Zelle werden jedoch gewährleistet. Bei Verwendung für ein „Fresh Out of Box“ (FOB)-Laufwerk oder für Anwendungen, die das Laufwerk nicht vollständig füllen, ermöglicht die Verwendung dieser Funktion einen wesentlich größeren SLC-Cache, was wiederum einen besseren Durchsatz und eine bessere Lebensdauer bieten kann.
Arbeitsbelastung der Verbraucher
Der SLC-Cache-Vorteil hängt von der Arbeitslast ab. Passt ein QLC-Laufwerk gut zu einem SLC-Cache? Verbraucherlaufwerke weisen die folgenden Eigenschaften auf:
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- Die Workloads von Verbraucherlaufwerken sind stoßweise, was bedeutet, dass Daten nur für kurze Zeit auf das Laufwerk geschrieben werden und das Laufwerk danach im Leerlauf ist.
- Verbraucher-Workloads erzeugen eine durchschnittliche Warteschlangentiefe (Queue Depth, QD) von 4 und eine maximale QD von 7.
- Verbraucherlaufwerke schreiben auf eine begrenzte logische Blockadresse (LBA).
- Verbraucherlaufwerke sind selten bis zur maximalen Kapazität gefüllt.
QLC NAND für Consumer-Laufwerke
QLC NAND bietet die besten Kosten pro Bit, ist jedoch mit der Einschränkung einer geringeren Leistung und geringeren Lebensdauer verbunden. Da die Arbeitslast der Verbraucher stoßartig ist und in einen begrenzten LBA-Bereich schreibt, kann QLC NAND mit SLC-Cache kombiniert werden, um eine Lösung mit guter Benutzererfahrung und niedrigsten Kosten bereitzustellen. Alle vom Host geschriebenen Daten werden in den SLC-Cache geleitet, was für ein besseres Benutzererlebnis sorgt. Wenn das Laufwerk im Leerlauf ist, werden Daten vom SLC zum QLC verschoben. Auch wenn die QLC-Leistung langsam ist, wird dies vom Host nicht bemerkt, da dieser Vorgang ausgeführt wird, wenn der Host inaktiv ist.
Verbraucher-Workloads schreiben auch über einen begrenzten LBA-Bereich. Durch das erste Schreiben der Daten in den SLC wird sichergestellt, dass nur die endgültige gültige Kopie der Daten in den QLC geschrieben wird. Dadurch werden die Schreibvorgänge auf QLC begrenzt, sodass QLC NAND trotz seiner geringeren Lebensdauer für Verbraucherlaufwerke verwendet werden kann.
Der SLC-Cache wird heute im Consumer-TLC-Laufwerk verwendet. Es nutzt die Workloads der Kunden, um die ähnliche Einschränkung der geringeren Geschwindigkeit und begrenzten Ausdauer bei TLC NAND zu beheben. QLC-basierte Laufwerke bieten eine um 33% höhere Kapazität im Vergleich zu TLC-NAND. Dies senkt die Kosten des Antriebs.
Abschluss
Das exponentielle Datenwachstum erhöht den Bedarf an höherer Speicherkapazität. QLC NAND ermöglicht eine höhere Kapazität, weist jedoch eine geringere Leistung und Ausdauer auf. Die Kombination von QLC NAND mit SLC-Cache eignet sich ideal für Verbraucher-Workloads. QLC-basierte Laufwerke bieten ein gutes Benutzererlebnis zu den niedrigsten Kosten, was zu einem optimalen Preis-Leistungs-Verhältnis für Verbraucher führt.
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