X-NAND-teknik förklaras - QLC-kapacitet vid SLC-hastigheter

Lagringsområdet har sett några snabba framsteg under det senaste decenniet. Under den längsta tiden var hårddiskar det primära och enda lagringsmediet som användes i konsumentdatorer. I början av föregående decennium inträffade den revolutionerande introduktionen av en ny form av lagringsmedium som kallas Solid State Storage. Nu var konceptet inte främmande men implementeringen i början var oraffinerad, minst sagt. För att inte tala om kostnaden för olika typer av SSD-enheter var genom taket jämfört med en vanlig mekanisk hårddisk och därmed var hårddiskar fortfarande standardmediet för lagring på konsumentdatorer.

Senare på decenniet steg framsteg och progression inom området solid scenlagring tio gånger. Nyare NAND-flashteknik togs ut på marknaden, snabbare och mer effektiva kontroller bakades in, hårddiskarnas råa nummer sköt exponentiellt och enheterna blev också billigare och billigare. Många av dessa förändringar måste tillskrivas på någon nivå till utvecklingen och framstegen inom NAND-blixt. De olika typerna och konfigurationerna av NAND-blixt gjorde det möjligt för tillverkarna att sänka kostnaden för själva enheten samtidigt som de fortfarande bibehåller stora kapaciteter och höga hastigheter. Innan vi avslöjar hemligheterna i X-NAND måste vi sammanfatta vad NAND-blixt egentligen är.

NAND

Som förklaras i vår avancerade guide för att köpa en SSD, NAND-blixt är en typ av icke-flyktigt minne som inte behöver ström för att behålla data. NAND Flash lagrar data som block och förlitar sig på elektriska kretsar för att lagra data. När det inte finns någon ström till flashminnet använder den en metalloxidhalvledare för att ge en extra laddning och därmed behålla data.

Denna form av solid state-lagring är ofta kopplad till något som kallas en DRAM-cache. Detta är ett snabbare men mindre lagringsmedium som fungerar tillsammans med enhetens NAND-blixt för att leverera de höga hastigheter som SSD-enheter är kända för. När systemet instruerar SSD att hämta lite data, måste enheten veta var exakt data lagras inuti minnescellerna. Av denna anledning håller enheten en slags "karta" som aktivt spårar där all data lagras fysiskt. Denna "karta" lagras på en enhets DRAM-cache. Det är viktigt att förstå att NAND-flash fungerar bäst när den är ihopkopplad med en DRAM-cache.

NAND-typer

Eftersom X-NAND också är en ny typ av NAND-blixt, måste vi först sammanfatta de typer av NAND-blixt som redan finns i SSD-enheter idag.

Single Layer Cell (SLC):Detta är den allra första typen av flashminne som fanns tillgänglig som flashlagring. Som namnet antyder lagrar den en enda bit data per cell och är därför mycket snabb och långvarig. Men på baksidan är det inte så tätt när det gäller hur mycket data det kan lagra vilket gör det mycket dyrt. Numera används det inte vanligt i vanliga SSD-enheter och är begränsat till mycket snabba företagsenheter eller små mängder cache.
Flerskiktscell (MLC):Trots att det är långsammare ger MLC valet att lagra mer data till ett lägre pris än SLC. Många av dessa enheter har en liten mängd SLC-cache (adekvat benämnd SLC-cacheteknik) för att förbättra hastigheterna varigenom cachen fungerar som en skrivbuffert. MLC har numera också ersatts av TLC i de flesta konsumentenheter, och MLC-standarden har varit begränsad till företagslösningar.
Trippelnivåcell (TLC):TLC är fortfarande mycket vanligt i dagens vanliga SSD-enheter. Även om det är långsammare än MLC, möjliggör det högre kapacitet till ett billigare pris på grund av dess förmåga att skriva mer data till en enda cell. De flesta av TLC-enheterna använder någon form av SLC-caching som förbättrar prestanda. I avsaknad av cache är en TLC-enhet inte mycket snabbare än en traditionell hårddisk. För normala konsumenter erbjuder dessa enheter bra värde och en fin balans mellan prestanda och pris. Professionella och kundanvändare bör överväga MLC-enheter för företagskvalitet för ännu bättre prestanda om de anser det lämpligt.
Quad-Level Cell (QLC):Detta är nästa lagringsteknik som lovar högre kapacitet till ännu billigare priser. Det använder också en cacheteknik för att ge bra hastigheter. Uthållighet kan vara lite lägre med enheter som använder QLC NAND, och långvarig skrivprestanda kan bli lägre när cachen fylls. Det bör dock introducera rymligare enheter till överkomliga priser.

Dessa är de nuvarande formerna av NAND Flash som för närvarande finns i SSD-enheter idag. Eftersom tillverkare alltid förnyar och förbättrar dessa mönster för att förbättra prestanda och, ännu viktigare, minska kostnaderna, har vi också sett introduktionen av något som kallas 3D NAND i SSD-enheter.

Som täckt tidigare har 2D eller Planar NAND bara ett lager av minnesceller, medan 3D NAND lager celler ovanpå varandra på ett staplat sätt. Drive-tillverkare lägger nu fler och fler stackar ovanpå varandra vilket leder till tätare, rymligare och billigare enheter. Numera har 3D NAND Layering blivit riktigt vanligt och de flesta vanliga SSD-enheter använder denna teknik. Dessa enheter kostar mindre än sina plana motsvarigheter eftersom det är billigare att tillverka ett tätare, staplat blixtpaket jämfört med ett 2D-minne. Samsung kallar denna implementering "V-NAND" medan Toshiba kallade den "BISC-Flash".

Denna teknik gör det också möjligt för tillverkarna av enheten att producera SSD-enheter med högre kapacitet till lägre priser i stora volymer.

Vad är X-NAND

X-NAND är teoretiskt en kombination av de bästa sakerna med SLC och QLC. I grunden försöker konceptet få det bästa från båda världarna på ett ställe och det är verkligen det som behövs för att driva NAND Flash-teknologisegmentet framåt.

X-NAND-arkitektur presenterades av VD för NEO Semiconductor vid Flashminnetoppmötet för 2021. Denna nya arkitektur lovar att kombinera hastigheten på SLC Flash med densitet och låg prissättning av QLC Flash. Jämfört med konventionell QLC NAND förbättras lästiden med upp till 30%, programtiden med 37%, läsflödet med upp till 27 gånger och skrivbandbredden med upp till 14 gånger. Detta är astronomiska förbättringar när vi jämför det med det vi har tillgängligt idag, vilket gör X-NAND till en verkligt lockande arkitektur att se upp för inom en snar framtid.

Fördelar med X-NAND

Andy Hsu, VD för NEO Semiconductor, förklarade de potentiella fördelarna med X-NAND i det tredagars virtuella Flash Memory Summit för 2020. Nedan följer några av X-NANDs viktiga fördelar jämfört med nuvarande flashteknik.

Hastighet

Det bästa med X-NAND är den potentiella sammanslagningen av de två bästa sakerna vi hittar i SLC och QLC NAND idag. För närvarande måste användarna välja mellan QLC: s kapacitet och överkomliga priser, eller råhastigheten för något som en MLC-enhet (eftersom SLC inte vanligtvis används för att göra SSD-konsumenter längre). Eftersom X-NAND lovar att kombinera hastigheterna för SLC med kapaciteten för QLC har vi ingen anledning att tvivla på att denna nya teknik kommer att leverera några löjliga hastighetsnummer.

Kapacitet

För närvarande är QLC valet av NAND Flash när det gäller tillverkning av SSD-enheter med hög kapacitet till rimliga priser. Detta beror på att på grund av QLC-blixtens arkitektur och densitet är det möjligt att lagra mer data i blixten än vad du kan hantera i en liknande utrustad MLC eller till och med TLC-enhet. Att föra kapacitetsfördelarna med den långsammare QLC NAND till de snabbare SLC-hastigheterna kommer potentiellt att producera en SSD som kombinerar det bästa från två världar som vi undvek tidigare.

Prisvärdhet

Det finns ingen viss information angående prissättningen av X-NAND i skrivande stund, men om den aktuella prissituationen för SLC och QLC NAND är något att gå förbi, har X-NAND potential att vara lika billig som QLC i nära framtid. QLC är den långsammaste och mest formen av NAND i SSD-enheter idag, och därmed är den också den billigaste. Även om det kan vara lite av en sträcka att säga att X-NAND definitivt kommer att matcha eller underskrida dagens QLC-enheter, är potentialen definitivt närvarande och den är obestridlig. Budget-SSD-segmentet är redan mycket konkurrenskraftigt som vi noterade i vår sammanställning av de 5 bästa budget-SATA-SSD: erna att köpa 2021, och med X-NAND har det potential att bli ännu mer trångt.

Mekanism bakom X-NAND

Medan QLC-enheter för konsumenter är mycket beroende av SLC-caching (med en liten mängd SLC NAND ombord för att påskynda processerna), hittar X-NAND ett sätt för blixt att behålla SLC-prestandan under en längre tid. Detta görs genom att samtidigt tillåta SLC- och QLC-skrivlägen som inte är en process som implementeras i nuvarande QLC-enheter.

Som framgår av detta prestandadiagram faller skrivkapaciteten för en modern QLC-enhet från klippan efter en viss tidsperiod. Detta beror på att SLC-cachen är full och enheten måste förlita sig på dess mycket långsammare QLC NAND för att flytta data. Jämför det med X-NAND-graflinjen som håller sig 100% under hela testet, och skillnaden är natt och dag. Här kan vi verkligen uppskatta prestandafördelarna med X-NAND som ger SLC-nivåhastigheter till ett mer överkomligt prisintervall och kapacitetsnivå.

X-NAND uppnår dessa vinster genom att gå från en 16KB sidbuffert per plan till en 1KB sidbuffert per plan, men med sexton gånger planen, som nämns i ett exempel. Detta kan förstås ytterligare genom att dissekera några av de terminologier som används här. Ett plan tenderar att vara den minsta enheten för sammanflätning för blixt, med ett eller flera plan per blixtform. Sidbufferten håller data under transport mellan bussen och blixten. En blixtdel är uppdelad i plan som innehåller bitlinjer eller cellsträngar så att plan uppdelning kan minska bitlinjens längd och det hjälper till att öka prestandan. Skrivprestanda kan ökas väsentligt genom att använda denna process.

Framtida applikationer

Framtiden verkar verkligen ljus om vi tittar på X-NANDs potential. Även om det verkligen är svårt att förutsäga huruvida X-NAND kommer att vara en verklig lönsam produkt på marknaden när som helst, verkar vägen framåt vara ganska bra för införandet av denna teknik. X-NAND kommer definitivt att skaka marknaden för solid state-lagring om det debuterar i den nuvarande marknadssituationen.

Med tanke på potentialen för ytterligare förbättringar och polering kan X-NAND definitivt vara en livskraftig kandidat för datacenter och företagstillämpningar i framtiden. Det viktigaste i en datacenterinställning är definitivt säkerheten och redundansen för datan. Om hjärnorna bakom X-NAND kan ta reda på hur man kan öka uthålligheten och tillförlitligheten hos denna NAND, kan det definitivt vara ett marknadssegment där X-NAND kan ha en inverkan inom en snar framtid.

När det gäller konsument-datorer och spelapplikationer finns det också mycket potential i detta utrymme. För närvarande slits potentiella SSD-köpare definitivt mellan hastigheterna på MLC / TLC och kapaciteten och prissättningen för QLC NAND. Prissättningen kommer definitivt att spela en stor roll i framgången för X-NAND på marknaden för konsumentdatorer, men vi kan förvänta oss att den blir bättre när arkitekturen blir mogen och tillverkningsprocessen blir mer strömlinjeformad.

Slutsats

Även om det kanske låter för bra för att vara sant, är X-NAND en revolutionerande ny teknik som syftar till att kombinera de bästa delarna av SLC och QLC NAND-typer. Även om det kanske inte är så enkelt som det just nu, kan potentialen för denna teknik inte ignoreras. Inte bara är detta något som kan vara ett stort framsteg inom datacenter och edge computing, utan också på marknaden för konsumentdatorer och spelmaskiner. X-NAND är fortfarande i sin linda just nu och det finns ingen produkt på marknaden som använder denna NAND-blixt i skrivande stund, men det borde vara spännande att se vad sinnen bakom X-NAND har planerat för sin eventuella lansering i marknaden.