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Wie Sie am besten zwischen QLC oder TLC NAND Storage wählen

QLC-Speicher eignet sich für leseintensiven Arbeitslasten, während TLC für schreibintensive Arbeitslasten geeignet ist. QLC- und TLC-NAND können im Rechenzentrum koexistieren.

IT-Professionelle neigen dazu, den Fortgang der Technologie als monoton und fortschreitend anzusehen – immer in eine Richtung hin zu größeren Verbesserungen, wie auch immer die Details aussehen mögen. Der Eindruck ist allgemein gültig: Niemand baut mehr CRT-Fernseher, Festnetztelefone mit Drehscheiben oder Kassettenrekorder, weil es keinen Markt mehr für sie gibt angesichts der weit überlegenen Ersatztechnologien.

Manchmal gibt es jedoch auch Platz für mehrere Generationen der gleichen zugrundeliegenden Technologie, weil zweitrangig erscheinende Unterschiede wie zum Beispiel Performance, Zuverlässigkeit, Strapazierfähigkeit, Lebensdauer und Kosten eine größere Rolle spielen. Dies ist der Fall bei der Technologie von NAND Flash Memory, bei der der Fortschritt der Speichertechnologie von Single-Level Cell (SLC) zu Multi-Level Cell (MLC), Triple-Level Cell (TLC) und nun Quad-Level Cell (QLC) genug Performance-Abstand zwischen ihnen gelassen hat, um den verschiedenen Formen von NAND Flash einen Raum in modernen Rechenzentren zu geben.

Der grundsätzliche Zielkonflikt zwischen Performance und Kapazität ist in einem früheren Artikel diskutiert worden. Hier geht es nun um die nähere Betrachtung von QLC und TLC, den beiden Technologien mit besonders hoher Dichte.

Man könnte davon ausgehen, dass QLC mit vier Bits pro Zelle eine evolutionäre Erweiterung ist, die die Dichte von Flash Memory um 33 Prozent erhöht und TLC mit drei Bits pro Zelle beim Einsatz von SSDs mit großer Kapazität komplett ersetzt. Die TLC-Technologie hat sich jedoch auch in Sachen Strapazierfähigkeit und Performance verbessert, was beiden Typen von NAND zugutekommt. Im Folgenden gehen wir intensiver auf die Debatte um QLC versus TLC ein und warum es für Unternehmen wichtig sein könnte, beide Technologien in ihren Speichersystemen einzusetzen.

Wesentliche Unterschiede zwischen QLC und TLC

Die Käufer von Flash Memory sind unmittelbar mit einer Wahl der zugrundeliegenden Speichertechnologie konfrontiert. In der Tat benutzen alle NAND-Speicher Halbleiter-Memory-Zellen anstatt von ferromagnetischer Polarisationsspannung, um Bits zu speichern, aber anders als Festplatten können Geräte auf Basis von Flash Memory ein, zwei, drei oder vier Bits pro Speicherzelle festhalten.

Je mehr Bits pro Zelle verwendet werden, desto höher ist die Speicherkapazität pro Chip. Auf der Basis der Leistung von Zellen mit mehreren Bits und der technologischen Fortschritte, die die meisten seiner Nachteile ausgeglichen haben, dominieren TLC und QLC den Markt für Konsumenten und ersetzen schnell SLC für die wichtigsten Workloads in Speichersystemen für Unternehmen.

Was sind die Unterschiede zwischen TLC und QLC?

Die Zellen von Flash Memory benutzen elektrische Ladungen auf einer isolierten Platte oder Schicht, um den Stromfluss in einem Transistor zu modulieren. Die beiden gebräuchlichsten Strukturen sind Floating-Gate- und Charge-Trap-Zellen, die in beiden Fällen eine Speicherschicht umgeben – entweder leitendes Polysilizium im Falle von Floating-Gate oder isolierendes Siliziumnitrid im Falle von Charge-Trap mit einer Isolierschicht für die gespeicherten Elektronen.

In beiden Fällen wirkt sich die auf dem Floating Gate gespeicherte Ladungsmenge auf die Spannung aus, die an ein Steuergate (Control Gate) angelegt werden muss, damit Strom durch den Transistorkanal fließen kann, das heißt, um den Transistor einzuschalten. Bei SLC gibt es nur eine einzige Schwellenspannung, und der Transistor ist entweder ein- oder ausgeschaltet.

Abbildung 1: Die Architektur eines Floating-Gate-Transistors.
Abbildung 1: Die Architektur eines Floating-Gate-Transistors.

Anstatt einer einzigen Schwellenspannung besitzt TLC sieben davon (sowie den „Null“-Zustand), um Zellen mit drei Bits speichern zu können; das bedeutet:

  • 000
  • 001
  • 010
  • 011
  • 100
  • 101
  • 110
  • 111
Abbildung 2: Im Laufe der Zeit benötigen Unternehmen weniger Schreibvorgänge pro Tag für ihre Workloads.
Abbildung 2: Im Laufe der Zeit benötigen Unternehmen weniger Schreibvorgänge pro Tag für ihre Workloads.

QLC

In ähnlicher Weise kann ein QLC-Speicher 16 Ladungszustände an seinem Floating Gate halten. Dies entspricht 16 Niveaus von Schwellenspannung, die vier Bits pro Zelle umfassen: 0000, 0001, 0010, ... 1111. Angesichts der geringen Versorgungsspannungen – typischerweise 3,3 Volt – halbiert sich beim Wechsel von TLC zu QLC der Unterschied der Schwellenwerte zwischen den Bit-Ebenen, zum Beispiel von etwa 470 mVolt auf 220 mVolt. Dies erhöht deutlich die Anfälligkeit für Rauschen, Prozessabweichungen und Chip-Fehler.

Der wesentliche Unterschied zwischen TLC und QLC besteht in dem Gegensatz zwischen Performance und Kapazität. QLC liefert im Besonderen:

  • Niedrigere Kosten per Bit, das heißt Kosten per Kapazitätseinheit.
  • Höhere Dichte, das heißt höhere Kapazität auf der gleichen physischen Grundlage.
  • Weniger Flash-Geräte pro System mit der gleichen Kapazität, was die TCO (Cost of Ownership) verringern kann.

TLC

Im Gegensatz dazu bietet TLC:

  • Mehr Writes pro Zelle (Belastung); obwohl wegen dem Unterschied bei der Dichte QLC-Laufwerke in der Regel eine höhere Anzahl bei den insgesamt geschriebenen Bytes verzeichnen.
  • Höhere Performance, besonders bei kleinen Block-Dimensionen.
  • Leicht verbesserte Zuverlässigkeit; obwohl sich der Unterschied wegen den verbesserten Error-Correction-Algorithmen und der Fähigkeit der QLC-Geräte verringert, eine größere Anzahl von Zellen für Redundanzen zu opfern, ohne dass die gesamte Kapazität wirklich darunter leidet.

Der Kapazitätsvorteil von QLC ist so groß, dass viele Hersteller von All-Flash-Arrays (AFAs) ihre Controller-Software und ihr Cache-Design angepasst haben, um ihre Nachteile im Vergleich zu TLC und SLC zu verringern oder ganz aufzuheben. Deswegen sollte man nicht überrascht sein, wenn eine wachsende Anzahl von AFAs für Unternehmen QLC als Medium der Wahl benutzen.

Der Kompromiss zwischen Durchsatz und Ausdauer

Die Memory-Technologie gibt dem Anwender nur selten etwas umsonst; wenn man die Grenzen in eine Richtung erweitert, muss man dafür oft Features und Performance in einer anderen Richtung aufgeben. Die Entwicklung der Cell-Technologie von NAND Flash Memory hat zu dem Kompromiss von höherer Packungsdichte pro Zelle versus langsameren I/O- Durchsatz und von höherer Leselatenz gegenüber niedrigerer Ausdauer geführt.

Der Kompromiss zwischen Durchsatz und Ausdauer versus Kapazität und Kosten ist der Grund dafür, dass manche Speichersysteme noch immer SLC-Geräte benutzen. Die Haltbarkeit von SLC-Geräten macht sie besonders geeignet für schreibintensive Workloads bei Transaction Processing. Doch neue Gruppen von Anwendungen bei Machine Learning, Big Data Analytics und Streaming Media führen zu einer wachsenden Anzahl von Workloads, bei denen das Lesen gegenüber dem Schreiben von Daten überwiegt und die Bedeutung von Flash-Haltbarkeit abnimmt.

QLC versus TLC: Der Trend hin zu weniger Schreibvorgängen pro Tag

Nach Angaben des Forschungsunternehmens Forward Insights waren weniger als 20 Prozent der 2018 verkauften SSDs für mehr als einen Schreibvorgang pro Tag (DWPD, Drive Write Per Day) spezifiziert. Bis 2023 werden schätzungsweise 85 Prozent der verkauften Laufwerke Modelle mit niedriger Schreibdauer sein, die mit einem oder weniger DWPD spezifiziert sind. Ein DWPD-Wert misst die Gesamtdatenmenge, die auf ein Laufwerk geschrieben wird, im Verhältnis zu seiner Gesamtkapazität. Der Wert wird verwendet, um eine garantierte Lebensdauer des Laufwerks von fünf Jahren anzugeben. Ein Laufwerk mit einem Terabyte, das mit einem DWPD spezifiziert ist, kann fünf Jahre lang jeden Tag durchschnittlich 1 Terabyte an Schreibvorgängen aushalten.

Der Trend zu weniger Schreibvorgängen pro Tag unterstützt den Einsatz von QLC-Laufwerken. Sie haben die kürzeste Lebensdauer aller aktuellen Flash-Geräte, wegen der engen Toleranzen für die Ladungsniveaus für jeden Bit-Zustand in einer Speicherzelle zusammen mit dichteren Abständen und dünneren Isolierungen bei den führenden Flash-Fertigungsverfahren.

Abbildung 3: SSD-Lebensdauer benötigt weniger Schreibzyklen
Abbildung 3: SSD-Lebensdauer benötigt weniger Schreibzyklen

Man muss bei den Vergleichen von DWPD-Spezifizierungen verschiedener Gerätearten vorsichtig sein, weil es angesichts der kompletten Drive-Kapazität nur relative Angaben sind. Wie Micron Technology dargestellt hat, besitzt eine TLC-SSD mit 960 Gigabyte und 1 DWPD eine ähnliche Gesamthaltbarkeit wie eine QLC-SSD mit 1,92 Terabyte und 0,5 DWPD für eine besondere Workload. Obwohl die DPWD-Spezifizierung für QLC niedriger ausfällt, ist die gesamte Datenmenge, die pro Tag geschrieben werden kann, die gleiche für die beiden Geräte. Daher ist das QLC-Gerät wegen seiner größeren Kapazität die bessere Wahl für Workloads, bei denen fast ausschließlich Daten gelesen werden.

Wie sich QLC und TLC gegenseitig ergänzen

Der QLC-Markt konzentriert sich hauptsächlich auf Lese-Workloads und versucht nicht, TLC-Geräte zu verdrängen, sondern eher Festplatten zu ersetzen. Dies erklärt, warum Hersteller wie Micron weiter beide Gerätetypen herzustellen. Micron geht auch davon aus, dass sich TLC und QLC gegenseitig ergänzen, wobei QLC die Lücken zwischen TLC-Flash und magnetischen Festplatten ausfüllt.

In der Tat führt Micron das Argument an, dass die QLC-Lebensdauer der von Festplatten bei Workloads überlegen ist, da SSDs beim Lesen von Daten nicht verschleißen, während HDDs dies tun. Die Datenschreibmuster enthalten zudem einen hohen Prozentsatz an großen sequentiellen Weiterleitungen.

Wir können die Workload-Eigenschaften genauer beschreiben, die zu QLC- oder TLC-Laufwerken passen, indem wir die I/O-Muster von verschiedenen Anwendungen näher betrachten. Laut den Modellen von Micron sind QLC-Laufwerke am besten geeignet für lese-intensive Workloads, bis der Lese-/Schreib-Mix bis zu einem Verhältnis von 70:30 für kleine oder zufällige Datenübertragungen erreicht – und mit einem Verhältnis von 50:50 für Anwendungen mit großen sequentiellen Schreibvorgängen. Umgekehrt sind TLC-Laufwerke besser für Workloads mit einer hohen Schreiblast geeignet, außer für die Minderheit von Anwendungen mit besonders vielen Transaktionen, die eventuell ein SLC-Laufwerk brauchen, das mit 5 oder 10 DWPD zurechtkommt.

Zum Glück benötigen viele der Unternehmensanwendungen, die das schnellste Wachstum und die höchste Brauchbarkeit besitzen, mehr Lese- als Schreibprozesse. Diese umfassen:

Außerdem kommt es auf das System-Design an

Das Design von QLC-Geräten, die größere Memory-Blöcke als TLC-Systeme benutzen, passt zu I/O-Prozessen mit großen sequentiellen Block-Bewegungen, aber nicht zu kleinen zufälligen I/O-Prozessen, wie sie für viele Datenbanken typisch sind.

Eine Methode, wie Speichersysteme diese Hürde umgehen können, besteht in der Verbindung eines Arrays aus QLC-SSDs mit einem nicht-flüchtigen DIMM Write Buffer (NVDIMM), der Schreibprozesse zusammenfasst. Kleine zufällige Schreibvorgänge werden zwischengespeichert, bis genug zusammengekommen sind, um einen Datenblock zu füllen – und dann schreibt sie das System nacheinander in einer einzigen Übertragung auf ein Platten-Volume oder ein Dateisystem. Der NVDIMM Speicherbuffer kann aus batterie- oder kondensatorbetriebenen dynamischen RAM-Modulen, nicht-flüchtigen Optane-Modulen mit persistentem Memory oder sogar aus einem besonders haltbaren SLC- oder TLC-NVMe-Laufwerk bestehen.

Sowohl Microsoft als auch Western Digital haben einen Ansatz ausgearbeitet, bei dem QLC mit NVMe-Namespaces benutzt wird. Es sind bereits Speichersysteme für Unternehmen verfügbar, die QLC nutzen – wie zum Beispiel das FlashArray//C von Pure Storage, das 2019 herauskam.

Mit einem beträchtlichen Vorteil bei Kapazität und niedrigen Kosten pro Bit kann man davon ausgehen, dass sich QLC-Geräte in Rechenzentren von Unternehmen neben TLC- und SLC-Geräten ausbreiten werden. Und Speichersysteme werden auf intelligente Art und Weise die Workloads platzieren – je nach I/O-Eigenschaften und Anforderungen jeder Anwendung.

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