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Diese vier Workloads eignen sich für QLC-NAND-Speicher

Erfahren Sie mehr über die leseintensiven Anwendungen, die mit QLC NAND funktionieren. Analyse, Datenarchivierung, Streaming-Medien und Datenbank-Workloads sind gute Optionen.

Storage-Anbieter versuchen ständig, mehr Daten in ihren NAND-Flash-Speicherzu packen, oft durch Erhöhung der Anzahl der Bitspro Zelle. NAND begann mit einem Bit pro Zelle (SLC), ging auf zwei Bits (MLC) über und erreichte bald die Drei-Bit-Marke (TLC). Jetzt haben wir Quad-Level-Cell-Laufwerke (QLC), die vier Bits in jede Zelle schreiben.

QLC NAND-Flash-Laufwerke erhöhen die Speicherdichte um 33 Prozent gegenüber Triple-Level-Cell-Laufwerken und versprechen, die Flash-Kosten noch weiter zu senken. QLC hat jedoch auch eine Reihe von Einschränkungen, die es für alles andere als die leseintensivsten Workloads ungeeignet machen. Bevor Sie auf den QLC-Zug aufspringen, werfen Sie einen Blick auf diese Einschränkungen und was einige QLC-Workloads besser geeignet macht als andere.

Was die QLC-Workloads einschränkt

Enterprise QLC bietet einen vielversprechenden Ersatz für leistungsschwache HDDs, die häufig in Rechenzentren eingesetzt werden. Laut Micron liefern ihre QLC-Laufwerke mehr als das 450-fache der gelesenen IOPSals Festplatten mit der gleichen Arbeitslast. QLC-Laufwerke benötigen zudem weniger Platz, verbrauchen weniger Energie und stellen die SSD-Preise auf das Niveau von Festplattenspeicher.

Ein auf NAND-Technologien basierendes Flash-Laufwerkist eine Art nichtflüchtiger Speicher, der aus einem oder mehreren Flash-Chips besteht. Jeder Chip enthält so genannte DIEs (Würfel), jeder Würfel enthält Ebenen (planes) und jede Ebene ist in Blöcke unterteilt. Die Blöcke werden dann in Seiten (pages) und die Seiten in Zellen unterteilt, in denen die Datenbits gespeichert werden. Daten werden auf Seitenebene gelesen und geschrieben, aber auf Blockebene gelöscht, was zu einem komplexen Schreib-Löschprozess führt.

Jedes Laufwerk enthält eine Steuerung, die Datenoperationen verwaltet und Probleme beim Schreiben und Ändern von Daten löst. So ist der Controller beispielsweise für Operationen wie Wear Leveling,Garbage Collection, Bad Block Mapping, Fehlercodekorrekturund Datenverschlüsselungverantwortlich. Wear Leveling und Garbage Collection sind besonders wichtig, da sie dazu beitragen, die Lebensdauer des Laufwerks zu verlängern, indem sie einige der Auswirkungen des Schreib-Löschprozesses mindern.

Mehrere Faktoren tragen zur Langlebigkeit eines NAND-Sticks bei. Oben in der Liste steht die Anzahl der Programm/Löschzyklen(Program/Erase Cycle, P/E), die während der Lebensdauer des Antriebs durchgeführt wurden. Ein Antrieb kann nur eine begrenzte Anzahl von P/E-Zyklen unterstützen, bevor er ausfällt.

Einer der größten Faktoren, die die Anzahl der P/E-Zyklen beeinflussen, ist die Schreibverstärkung (write amplification), die sich aus Datenänderungen ergibt, die mehr Daten generieren als die tatsächliche Änderung selbst. Dies geschieht, weil Daten auf Seitenebene geschrieben und auf Blockebene gelöscht werden. Um die Sache zu verkomplizieren, muss eine Datenänderung erst gelöscht werden, bevor sie geschrieben werden kann, was bedeutet, dass ein ganzer Block gelöscht und neu geschrieben werden muss, egal wie klein die Änderung ist. Wear Leveling und Garbage Collection sowie Überbereitstellung (over-provisioning) können helfen, einige dieser Herausforderungen zu bewältigen, aber der Antrieb unterliegt immer noch einer begrenzten Anzahl von P/E-Zyklen.

Die wichtigsten Eigenschaften von NAND Flash im Überblick
Die wichtigsten Eigenschaften von NAND Flash im Überblick

QLC NAND Flash-Speicher

Die Anzahl der Bits pro Zelle kann einen direkten Einfluss darauf haben, wie viele P/E-Zyklen ein Laufwerk über seine Lebensdauer unterstützt. Obwohl die Schätzungen variieren, können Sie mit Sicherheit davon ausgehen, dass je mehr Bits pro Zelle, desto geringer die Anzahl der P/E-Zyklen ist. So unterstützt beispielsweise der einstufige Zellen-NAND etwa 100.000 P/E-Zyklen, während der mehrstufige Zellen-NAND (MLC) zwischen 3.000 und 10.000 unterstützt. (MLC bezieht sich auf Laufwerke mit zwei Bits pro Zelle.) Die Schätzungen für TLC NAND liegen bei etwa 1.000 bis 3.000 und QLC bei weniger als 1.000, wobei einige Schätzungen näher an 100 liegen.

Der Grund dafür, dass höhere Dichten zu weniger P/E-Zyklen führen, hängt damit zusammen, wie Spannungen auf Zellenebene während des Schreibvorgangs angelegt werden. Obwohl der Prozess selbst ziemlich involviert ist, ist es wichtig zu verstehen, dass jeder Schreibvorgang einen leichten Verschleiß an der Zelle verursacht, und je mehr Bits in der Zelle verpackt sind, desto größer ist der Verschleiß. Aus diesem Grund ist der QLC NAND-Flash viel verschleißanfälliger als die anderen NAND-Typen, was zu weniger P/E-Zyklen führt.

Die richtigen QLC-Workloads

Aufgrund dieser Einschränkungen ist QLC schlecht geeignet für schreiblastige Workloads, die ständig Daten hinzufügen und aktualisieren. Je weniger Schreibvorgänge, desto länger hält das Laufwerk. Leseintensive Workloads, bei denen Schreibvorgänge nur einen kleinen Teil der Operationen ausmachen, funktionieren am besten mit QLC NAND Flash. Tatsächlich empfiehlt Micron, dass weniger als 10 Prozent eines Workloads geschrieben werden sollten.

Glücklicherweise passen einige der heutigen Workloads zu diesem Modell. Beispielsweise sind analytische Anwendungen, die KIunterstützen, maschinelles Lernen, Deep Learning und andere Formen der KI ausgezeichnete Kandidaten für QLC-Speicher. Die Daten in diesen Szenarien werden typischerweise einmal geschrieben und dann für anspruchsvolle Analysenverwendet, die einen schnellen Zugriff auf den Speicher erfordern, wenn große Datenmengen modelliert, trainiert und aggregiert werden.

Die Archivierungvon Daten ist ein weiterer potenzieller QLC-Arbeitsaufwand, insbesondere wenn ein Unternehmen diese Daten für KI-basierte Analysen oder Business-Intelligence-Anwendungen verwendet, die Daten abbauen, um Stakeholdern nahezu in Echtzeit Informationen für schnelle Einblicke und Entscheidungen zur Verfügung zu stellen. Große Rechenzentren, die Streaming-Media-Operationen unterstützen, können QLC auch nutzen, um Audio- oder Video-Dienste schneller und effizienter an ihre Kunden zu liefern.

So gut wie jeder Datenspeicher, der leseintensive Anwendungen unterstützt, ist ein guter Kandidat für QLC. Beispielsweise könnte eine NoSQL-Datenbank mit umfangreichen Daten und MetadatenQLC NAND-Flash-Laufwerke verwenden, um die Anwendungsleistung zu steigern. Wie bei jedem Szenario liegt der Schlüssel zum Erfolg darin, zu verstehen, inwieweit Ihre Anwendungen Daten schreiben im Vergleich dazu, wie viel sie lesen.

Ideale Lösung vs. Geldverschwendung

Da die QLC-Technologien ausgereift sind, werden sie zweifellos eine größere Anzahl von P/E-Zyklen unterstützen, was die Art der Workloads erweitert, die von QLC-Flash profitieren könnten. Wir haben bereits einen Sprung in den P/E-Schätzungen von weniger als 100 auf fast 1.000 gesehen. Dennoch wird QLC wahrscheinlich noch einige Zeit am besten für leseintensive Workloads geeignet sein.

Unabhängig davon, wie sich QLC entwickelt, sollten Sie immer an die Anwendungen denken, die Sie nutzen, und an den Speicherplatz, den sie benötigen, um ihre Workloads so effizient und zuverlässig wie möglich bereitzustellen. In einigen QLC-Workloads könnte die Technologie ideal passen, aber in anderen Fällen eine kostspielige Geldverschwendung.

 

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