소비자 SSD용 QLC NAND

작가 임란 히라니 | 2021년 5월 10일 | 모두, 기술

지난 10년 동안 데이터는 "사물 인터넷" 분야의 기술 발전으로 인해 기하급수적으로 증가했습니다. 기하급수적인 데이터 증가는 생성된 날짜를 저장하기 위한 스토리지 기술의 발전을 요구합니다. 최신 컴퓨팅 시스템의 두 가지 주요 스토리지 형태인 하드 디스크 드라이브(HDD)와 솔리드 스테이트 드라이브(SSD)는 수요를 충족시키기 위해 스토리지 용량을 늘렸습니다.

HDD 업계는 이제 드라이브 용량을 늘리기 위해 열 보조 자기 기록 또는 마이크로웨이브 보조 자기 기록을 사용합니다. SSD 제조업체는 NAND 스토리지 셀당 더 많은 비트를 저장하여 더 큰 용량에 대한 요구를 해결했습니다.

낸드 플래시 기술

NAND 플래시 기술은 셀당 하나의 단일 비트를 저장하는 것으로 시작되었으며 이 셀을 SLC(Single Level Cell)라고 합니다. SLC NAND는 높은 처리량, 높은 내구성 및 낮은 대기 시간을 제공하지만 용량이 작습니다. NAND 기술은 진화하여 통화당 2비트를 저장할 수 있게 되었으며 이를 MLC(Multi Level Cell)라고 합니다. MLC NAND는 SLC NAND보다 두 배의 용량을 제공하지만 처리량이 낮고 내구성이 떨어집니다. NAND 기술의 추가 향상으로 셀당 3비트를 저장할 수 있게 되었으며 이를 TLC(Three Level Cell)라고 합니다. TLC NAND는 SLC NAND 용량의 3배이지만 처리량과 내구성은 훨씬 낮습니다. 최신 NAND 기술은 셀당 4비트 또는 QLC(Quad Level Cell)를 저장합니다. QLC NAND는 SLC 용량의 4배를 제공하지만 처리량과 내구성은 훨씬 낮습니다.

QLC NAND 장단점을 해결하는 방법

QLC NAND는 증가된 용량 요구 사항을 해결하지만 느린 처리량과 낮은 내구성이라는 단점이 있습니다. QLC의 느린 처리량과 낮은 내구성을 해결하는 한 가지 방법은 드라이브에 작은 SLC 캐시를 추가하는 것입니다. 호스트의 데이터는 먼저 SLC 캐시에 기록된 다음 데이터가 QLC로 이동됩니다. 호스트에 표시되는 처리량은 워크로드에 따라 다릅니다. 기록 중인 데이터의 크기가 SLC 캐시 크기보다 작은 경우 호스트는 SLC 처리량을 보게 됩니다. 기록 중인 데이터가 SLC 캐시 크기보다 크면 SLC와 QLC 성능의 조합이 나타납니다.

SLC 캐시는 특정 워크로드에 대한 QLC NAND의 내구성 문제도 해결할 수 있습니다. 호스트가 특정 논리 블록 주소(LBA) 범위를 쓰고 다시 쓰고 있고 LBA 범위가 SLC 캐시 크기보다 작은 경우 데이터는 SLC 캐시에서 무효화되고 LBA의 최종 복사본만 QLC로 이동됩니다.

SLC 캐시 사용의 이점 극대화

SLC 캐시의 이점을 극대화하기 위해 NAND 플래시는 SLC 모드에서 QLC NAND 사용을 지원합니다. 이 모드에서 QLC 셀은 단일 비트만 저장하는 데 사용됩니다. 이것은 용량을 1/4로 줄이지 만 SLC 셀의 처리량과 내구성을 제공합니다. FOB(Fresh Out of Box) 드라이브 또는 드라이브를 완전히 채우지 않는 응용 프로그램에 사용하는 경우 이 기능을 사용하면 훨씬 더 큰 SLC 캐시를 사용할 수 있으므로 더 나은 처리량과 내구성을 제공할 수 있습니다.

소비자 워크로드

SLC 캐시 이점은 워크로드에 따라 다릅니다. QLC 드라이브가 SLC 캐시와 잘 맞을 수 있습니까? 소비자 드라이브에는 다음과 같은 특성이 있습니다.

- 소비자 드라이브 워크로드는 버스트입니다. 즉, 짧은 기간 동안 데이터가 드라이브에 기록되고 그 이후에는 드라이브가 유휴 상태입니다.
- 소비자 워크로드는 평균 QD(Queue Depth) 4와 최대 QD 7을 생성합니다.
- 소비자 드라이브는 제한된 논리 블록 주소(LBA)에 씁니다.
- 소비자 드라이브는 거의 최대 용량까지 채워지지 않습니다.

소비자 드라이브용 QLC NAND

QLC NAND는 비트당 최고의 비용을 제공하지만 성능과 내구성이 낮다는 한계가 있습니다. 소비자 워크로드가 급증하고 제한된 LBA 범위에 쓰기 때문에 QLC NAND는 SLC 캐시와 결합하여 우수한 사용자 경험과 최저 비용의 솔루션을 제공할 수 있습니다. 호스트가 쓴 모든 데이터는 SLC 캐시로 보내져 더 나은 사용자 경험을 제공합니다. 드라이브가 유휴 상태이면 데이터가 SLC에서 QLC로 이동됩니다. QLC 성능이 느리더라도 호스트가 유휴 상태일 때 이 작업을 수행하기 때문에 호스트에 표시되지 않습니다.

소비자 워크로드도 제한된 LBA 범위에 씁니다. 데이터를 먼저 SLC에 쓰면 데이터의 유효한 최종 복사본만 QLC에 기록됩니다. 이것은 QLC에 대한 쓰기를 제한하여 QLC NAND가 낮은 내구성에도 불구하고 소비자 드라이브에 사용될 수 있도록 합니다.

SLC 캐시는 오늘날 소비자 TLC 드라이브에 사용됩니다. TLC NAND에서 낮은 속도와 제한된 내구성이라는 유사한 제한을 해결하기 위해 고객 워크로드를 활용합니다. QLC 기반 드라이브는 TLC NAND에 비해 33% 더 높은 용량을 제공합니다. 이것은 드라이브 비용을 낮춥니다.

결론

기하급수적인 데이터 증가로 인해 더 높은 스토리지 용량이 필요합니다. QLC NAND는 더 큰 용량을 가능하게 하지만 성능과 내구성은 더 낮습니다. QLC NAND와 SLC 캐시를 결합하면 소비자 워크로드를 처리할 수 있습니다. QLC 기반 드라이브는 최저 비용으로 우수한 사용자 경험을 제공하여 소비자에게 최고의 가치를 제공합니다.