コンシューマー向けSSD向けQLC NAND

Author イムラン・ヒラニ | 2021年5月10日 | 全て, テクノロジー

過去 10 年間、「モノのインターネット」分野の技術進歩により、データは指数関数的に増加しました。データが急激に増加するには、生成された日付を保存するストレージテクノロジの進歩が必要です。現代のコンピューティングシステムにおける 2 つの主要なストレージ形式であるハードディスクドライブ (HDD) とソリッドステートドライブ (SSD) は、需要を満たすためにストレージ容量が増加しています。

HDD 業界は現在、ドライブ容量を増やすために熱アシスト磁気記録またはマイクロ波アシスト磁気記録を使用しています。 SSD メーカーは、NAND ストレージセルあたりにより多くのビットを保存することで、より大容量の需要に対応してきました。

NANDフラッシュテクノロジー

NAND フラッシュテクノロジーは、セルごとに 1 ビットを格納することから始まり、このセルはシングルレベルセル (SLC) と呼ばれます。 SLC NAND は、高スループット、高耐久性、低遅延を実現しますが、容量は小さいです。 NAND テクノロジーが進化し、呼び出しごとに 2 ビットを保存できるようになり、マルチレベルセル (MLC) と呼ばれます。 MLC NAND は SLC NAND の 2 倍の容量を提供しますが、スループットと耐久性が低くなります。 NAND テクノロジーのさらなる強化により、セルごとに 3 ビットを保存できるようになり、これはスリーレベルセル (TLC) と呼ばれます。 TLC NAND は SLC NAND の 3 倍の容量がありますが、スループットと耐久性ははるかに低くなります。最新の NAND テクノロジーは、セルごとに 4 ビット、つまりクワッドレベルセル (QLC) を保存します。 QLC NAND は SLC の 4 倍の容量を提供しますが、スループットと耐久性ははるかに低くなります。

QLC NAND のトレードオフに対処する方法

QLC NAND は増大する容量要件に対応しますが、スループットの低下と耐久性の低下というトレードオフが伴います。 QLC のスループットの低下と耐久性の低下に対処する 1 つの方法は、ドライブに小さな SLC キャッシュを追加することです。ホストからのデータは最初に SLC キャッシュに書き込まれ、その後データが QLC に移動されます。ホストから見えるスループットはワークロードによって異なります。書き込まれるデータのサイズが SLC キャッシュサイズより小さい場合、ホストには SLC スループットが表示されます。書き込まれるデータが SLC キャッシュサイズより大きい場合、SLC と QLC のパフォーマンスの組み合わせが表示されます。

SLC キャッシュは、特定のワークロードに対する QLC NAND の耐久性の問題にも対処できます。ホストが特定の論理ブロックアドレス (LBA) 範囲の書き込みおよび再書き込みを行っており、LBA 範囲が SLC キャッシュサイズより小さい場合、データは SLC キャッシュ内で無効になり、LBA の最後のコピーのみが QLC に移動されます。

SLC キャッシュを使用するメリットを最大化する

SLC キャッシュの利点を最大限に活用するために、NAND フラッシュは SLC モードでの QLC NAND の使用をサポートしています。このモードでは、QLC セルは単一の単一ビットのみを保存するために使用されます。これにより、容量は 4 分の 1 に減少しますが、SLC セルのスループットと耐久性が提供されます。「Fresh Out of Box」（FOB）ドライブまたはドライブが完全に埋まっていないアプリケーションに使用する場合、この機能を使用すると、大幅に大きな SLC キャッシュが有効になり、スループットと耐久性が向上します。

消費者のワークロード

SLC キャッシュの利点はワークロードによって異なります。 QLC ドライブは SLC キャッシュに適合しますか?民生用ドライブには次の特徴があります。

- 消費者向けドライブのワークロードはバースト的です。つまり、データは短期間ドライブに書き込まれ、その後ドライブはアイドル状態になります。
- コンシューマのワークロードは、平均キュー深度 (QD) 4、最大 QD 7 を生成します。
- コンシューマドライブは、限られた論理ブロックアドレス (LBA) に書き込みます。
- 一般消費者向けドライブが最大容量まで使用されることはほとんどありません。

民生用ドライブ用 QLC NAND

QLC NAND はビットあたりのコストが最も優れていますが、パフォーマンスと耐久性が低いという制限があります。消費者のワークロードはバースト的で、限られた LBA 範囲に書き込みを行うため、QLC NAND を SLC キャッシュと組み合わせて、優れたユーザーエクスペリエンスと最低コストのソリューションを提供できます。ホストによって書き込まれるすべてのデータは SLC キャッシュに送られるため、ユーザーエクスペリエンスが向上します。ドライブがアイドル状態の場合、データは SLC から QLC に移動されます。 QLC のパフォーマンスが遅い場合でも、この操作はホストがアイドル状態のときに実行されるため、ホストには認識されません。

コンシューマのワークロードも、限られた LBA 範囲に書き込みます。最初にデータを SLC に書き込むと、データの有効な最終コピーのみが QLC に書き込まれるようになります。これにより、QLC への書き込みが制限され、耐久性が低いにもかかわらず、QLC NAND を民生用ドライブに使用できるようになります。

SLC キャッシュは現在、消費者向け TLC ドライブで使用されています。顧客のワークロードを利用して、TLC NAND の低速と耐久性の制限という同様の制限に対処します。 QLC ベースのドライブは、TLC NAND と比較して 33% より高い容量を提供します。これにより、ドライブのコストが削減されます。

結論

データの急激な増加により、より大きなストレージ容量の要件が高まっています。 QLC NAND は大容量を実現しますが、パフォーマンスと耐久性は低くなります。 QLC NAND と SLC キャッシュを組み合わせることで、コンシューマのワークロードに対応できます。 QLC ベースのドライブは、最小限のコストで優れたユーザーエクスペリエンスを提供し、消費者にとって最高の価値をもたらします。