TLC与QLC NAND：为您的存储应用选择最佳的存储技术

 
如果您没有注意到，固态驱动器会变得越来越大，越来越快。早在2008年，先进的企业级SSD提供了32GB的容量，并以高达250 MB / s的速度移动文件。如今，32TB版本可以以3200 MB / s的速度顺序读取数据。大小增加了1000倍，加速提高了10倍以上。
通过在每个存储单元中存储更多数据位，然后在每个NAND闪存芯片中安装更多存储单元，可以实现这些令人难以置信的收益。例如，X25-E的单级单元闪存在每个单元中都保留一位。新的SSD D5-P4326将四个位打包到同一空间中。
为了使数据接近处理资源，该行业正朝着更高容量的SSD迈进。但是，仅购买最大的SSD并不是IT决策者构建复杂存储系统的最佳方法。在为下一个应用选择驱动器之前，请确保您了解NAND闪存如何影响性能，耐用性和密度。
您准备好迎接Zettabyte时代了吗?
根据IDC的数据，2018年创建了约32ZB数据
目前的预测显示2023年将创造约103ZB
扩展固态存储来满足这种需求需要更密集的NAND(x / y轴)，每个裸片更多的NAND层(z轴)和每个存储单元更多的位
与现有的三级单元(TLC)存储器相比，四级单元(QLC)NAND具有33%的扩展优势，但带来了写入性能和耐用性挑战
结果，TLC仍然是写密集型工作负载中的重要内存技术。期望这两种技术可以互补。
3D QLC NAND：我们要去的地方
英特尔SSD D5-P4326中的NAND闪存称为3D QLC。当我们谈论QLC或四级单元技术时，我们指的是每个存储单元在15种不同阈值电压之间保存四位数据的能力。 3D是对存储单元构建方式的参考。
过去，那些电池并排布置在硅基板上。随着新的光刻工艺的出现，它们的密度增加了，这使得将更多的光刻工艺安装在平面上成为可能。但是随着在x和y轴上缩放的难度越来越大，制造商开始沿z轴三维地垂直组织单元。
3D NAND比2D平面NAND的优势自然包括更高的密度。由于其更大的存储单元，与平面NAND相比，3D NAND的写入和擦除次数也更多。该技术可降低功耗，提高性能，并降低每位存储的成本。
在由64层高的闪存设备组成的3D NAND中，其单元密度是平面存储器的64倍。从那里开始，将更多数据塞入每个单元将成为一个乘法器。因此，QLC技术采用了64倍并将其变为256倍。该公司专门针对英特尔在SSD D5-P4326中使用的64层3D NAND，每个芯片的密度可以达到1Tb。而且，每个裸片更多的闪存以相同的外形尺寸转化为更高容量的SSD。
3D TLC NAND：仍是最先进的存储技术
QLC NAND通过感测16种可能的电荷状态之一为每个单元存储4位，而三级单元(TLC)NAND仅跟踪8个。当然，这仍然是一项艰巨的任务。但是，由于与QLC存储器相比，写入TLC NAND的位更少，因此TLC在其单元开始耗尽之前可以承受更多的编程/擦除周期。
将四位存储在QLC存储器单元中需要区分16种不同的充电状态。 TLC NAND中的三位可以通过八个充电状态实现。两者都比旧的MLC或SLC技术要复杂得多。
 
TLC闪存也比QLC快。事实证明，区分两倍的充电状态使QLC比TLC闪存更容易出错。而且，尽管这两种技术都使用纠错代码算法来维护数据的完整性，但是此过程在基于QLC的驱动器上消耗了大量的处理周期，特别是严重影响了写入性能。
为您的应用选择正确的性能配置文件
根据在2019年闪存峰会上的演讲，美光的Kent Smith明确表示，最新的基于QLC的SSD旨在增强现有的TLC SSD，而不是替代它们。他指出，QLC的定价使该技术距离预计在2019年发售的5500万个7,200 RPM(或更高)硬盘驱动器相距甚远。
知道3D TLC和3D QLC并排放置在架子上时，如何(也许更重要的是为什么)在它们之间进行选择?这一切都是为了了解您的存储应用程序。
由于QLC NAND的读取速度与TLC NAND一样快，因此非常适合读取繁重的工作负载。相反，TLC NAND在写入性能方面占上风。当您将这些优势应用到各种读写比上时，可以很容易地看到每种技术最适合的位置。 Smith往前走了一步，增加了块大小。他展示了QLC SSD，可用于处理大量数据的混合工作负载。
TLC和QLC SSD相互补充。前者在繁重的写工作负载方面表现出色，而后者以比TLC闪存更低的每位成本提供出色的读取性能。
更好的是，Smith的演示提供了许多性能敏感的工作负载，这些工作负载过去一直在至少90%的时间读取数据或严重依赖随机读取和顺序写入的硬盘上运行。 AI数据湖，边缘分析(包括5G)，大数据(Hadoop)，对象存储，SQL数据库，内容交付网络，云服务，vSAN容量层以及财务监管和合规性存储都是向QLC过渡的主要候选人基于SSD。
根据美光提供的数据，传统的数据中心I / O模式每次写入可能涉及四个读取操作，而为AI提供服务的深度学习算法则估计每次写入可进行5,000个读取操作。更大，更便宜的基于QLC的SSD非常适合此类应用。
Supermicro服务器解决方案管理高级总监Michael Scriber说：“ Netflix是QLC NAND运行良好的另一个很好的例子。 “他们打算一次在系统中写电影。然后，与TLC相比，客户将以相同的性能和更低的成本阅读数十亿次电影。”
耐力也很重要
除了性能之外，您的应用程序的读写比还影响耐久性。由于QLC NAND的编程/擦除周期比TLC少，因此繁重的写负载会更快地消耗其存储单元。但是，这些任务似乎是例外。根据美光科技(Micron)的数据，2018年出货的五分之四企业级固态硬盘的额定日写入驱动器(DWPD)少于一次。该指标告诉您在保修期内每天可以写入驱动器的SSD容量的百分比。
根据美光(Micron)的数据，2018年出货的所有企业驱动器中有4/5的额定DWPD低于1，说明对高耐用性SSD的需求正在下降。
早在英特尔X25-E时代，一个驱动器写入(仅32GB)就已经远远不够了。但是，考虑到当今SSD的容量，较低的耐久度等级更容易承受。
Supermicro的Scriber说：“如果我有一个1TB的8TB(TLC)驱动器良好，那么我可以连续五年每天写入8TB，而且我的保修期还不错。” “另一方面，如果我有一个16TB(QLC)驱动器仅适合0.5 DWPD，那么未来五年我仍然可以每天写入8TB，并且仍然可以。”
当您想到1U服务器前端的32个SSD D5-P4326以及它们代表的500TB合并容量时，请问您的应用程序是每天写入250TB还是300TB，然后再发出持久性警报。
到2025年，一半的出货量将基于3D QLC NAND。另一半将是3D TLC。平面NAND将几乎消失。
例如，英特尔的SSD DC P4510与SSD D5-P4326并存。两者均以E1.L形式提供，最大容量为15.36TB，并且均受五年保修。但是SSD DC P4510由堆叠64层高的3D TLC NAND组成，能够进行3.1 GB / s的顺序读取和写入。 SSD D5-P4326采用64层3D QLC NAND，可将连续读取速度提高至3.2 GB / s，但在写入时降至1.6 GB / s。尽管它们的某些规格重叠，但是这些驱动器是为不同的应用程序设计的。
底线
决策者比以往任何时候都更具灵活性，可以为他们的工作负载选择最佳的存储选项，从而平衡性能，耐用性，密度和成本。 QLC NAND的优势最终为用更快，更可靠的固态驱动器替代机械磁盘提供了理由。同时，基于TLC的SSD在繁重的写入应用中仍然是更好的选择。借助合适的存储技术来解决您的每个工作负载，您将克服瓶颈，而不会超支。