อธิบายเทคโนโลยี X-NAND - ความจุ QLC ที่ความเร็ว SLC

ด้านการจัดเก็บมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในทศวรรษที่ผ่านมา เป็นเวลานานที่สุดฮาร์ดไดรฟ์เป็นสื่อบันทึกข้อมูลหลักและเป็นสื่อบันทึกข้อมูลเดียวที่ใช้ในพีซีสำหรับผู้บริโภค ในช่วงรุ่งสางของทศวรรษที่ผ่านมามีการปฏิวัติรูปแบบใหม่ของสื่อจัดเก็บข้อมูลที่เรียกว่า Solid State Storage ตอนนี้แนวคิดนี้ไม่คุ้นเคย แต่การนำไปใช้ในตอนเริ่มต้นนั้นไม่ได้ขัดเกลาให้พูดอย่างน้อยที่สุด ไม่ต้องพูดถึงค่าใช้จ่ายของไดรฟ์โซลิดสเทตประเภทต่างๆนั้นผ่านหลังคาเมื่อเปรียบเทียบกับฮาร์ดไดรฟ์เชิงกลมาตรฐานดังนั้นฮาร์ดไดรฟ์จึงยังคงเป็นสื่อเริ่มต้นสำหรับการจัดเก็บข้อมูลในพีซีสำหรับผู้บริโภค

ต่อมาในช่วงทศวรรษที่ผ่านมาความก้าวหน้าและความก้าวหน้าในด้านการจัดเก็บข้อมูลขั้นตอนที่เป็นของแข็งได้เพิ่มขึ้นเป็นสิบเท่า เทคโนโลยีแฟลช NAND ที่ใหม่กว่าถูกนำเข้าสู่ตลาดตัวควบคุมที่เร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้นถูกอบเข้ามาจำนวนดิบของไดรฟ์พุ่งขึ้นแบบทวีคูณและไดรฟ์ก็มีราคาถูกลงเรื่อย ๆ เช่นกัน การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จำนวนมากต้องเกิดจากความก้าวหน้าและความก้าวหน้าในด้านแฟลช NAND ประเภทและการกำหนดค่าต่างๆของแฟลช NAND ทำให้ผู้ผลิตสามารถลดต้นทุนของไดรฟ์ได้ในขณะที่ยังคงรักษาความจุขนาดใหญ่และความเร็วสูงไว้ได้ ก่อนที่เราจะไขความลับของ X-NAND เราต้องสรุปก่อนว่าจริง ๆ แล้วแฟลช NAND คืออะไร

NAND

ตามที่อธิบายไว้ใน คำแนะนำขั้นสูงในการซื้อ SSD, แฟลช NAND เป็นหน่วยความจำชนิดไม่ลบเลือนที่ไม่ต้องใช้พลังงานใด ๆ ในการเก็บรักษาข้อมูล NAND Flash จัดเก็บข้อมูลเป็นบล็อกและอาศัยวงจรไฟฟ้าในการจัดเก็บข้อมูล เมื่อหน่วยความจำแฟลชไม่มีพลังงานจะใช้เซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์เพื่อให้ประจุไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจึงเก็บข้อมูลไว้

รูปแบบของการจัดเก็บข้อมูลโซลิดสเตตนี้มักใช้คู่กับสิ่งที่เรียกว่าแคช DRAM นี่คือสื่อจัดเก็บข้อมูลที่เร็วกว่า แต่มีขนาดเล็กกว่าซึ่งทำงานควบคู่กับแฟลช NAND ของไดรฟ์เพื่อส่งมอบความเร็วสูงที่ SSD มีชื่อเสียง เมื่อใดก็ตามที่ระบบสั่งให้ SSD ดึงข้อมูลบางส่วนไดรฟ์จำเป็นต้องทราบว่าข้อมูลถูกเก็บไว้ที่ใดในเซลล์หน่วยความจำ ด้วยเหตุนี้ไดรฟ์จึงเก็บ "แผนที่" ประเภทหนึ่งซึ่งติดตามตำแหน่งที่ข้อมูลทั้งหมดถูกจัดเก็บทางกายภาพ “แผนที่” นี้จัดเก็บไว้ในแคช DRAM ของไดรฟ์ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจว่าแฟลช NAND ทำงานได้ดีที่สุดเมื่อจับคู่กับแคช DRAM

ประเภท NAND

เนื่องจาก X-NAND เป็นแฟลช NAND รูปแบบใหม่ก่อนอื่นเราต้องสรุปประเภทของ NAND Flash ที่มีอยู่แล้วใน SSD ในปัจจุบัน

• เซลล์ชั้นเดียว (SLC):นี่เป็นหน่วยความจำแฟลชประเภทแรกที่มีให้ใช้เป็นหน่วยความจำแฟลช ตามความหมายของชื่อมันเก็บข้อมูลเพียงบิตเดียวต่อเซลล์ดังนั้นจึงรวดเร็วและยาวนานมาก อย่างไรก็ตามในทางกลับกันมันไม่หนาแน่นมากในแง่ของปริมาณข้อมูลที่สามารถจัดเก็บได้ซึ่งทำให้มีราคาแพงมาก ปัจจุบันไม่นิยมใช้ใน SSD ทั่วไปและ จำกัด เฉพาะไดรฟ์ระดับองค์กรที่เร็วมากหรือแคชจำนวนน้อย
• เซลล์หลายชั้น (MLC):แม้จะช้ากว่า แต่ MLC ก็ให้ทางเลือกในการจัดเก็บข้อมูลมากขึ้นในราคาที่ต่ำกว่า SLC ไดรฟ์เหล่านี้จำนวนมากมีแคช SLC จำนวนเล็กน้อย (ชื่อเทคนิคการแคช SLC อย่างเพียงพอ) เพื่อปรับปรุงความเร็วโดยที่แคชทำหน้าที่เป็นบัฟเฟอร์การเขียน ปัจจุบัน MLC ถูกแทนที่ด้วย TLC ในไดรฟ์ของผู้บริโภคส่วนใหญ่และมาตรฐาน MLC ถูก จำกัด ไว้ที่โซลูชันระดับองค์กร
• เซลล์สามระดับ (TLC):TLC ยังคงมีอยู่ทั่วไปใน SSD กระแสหลักในปัจจุบัน แม้ว่าจะช้ากว่า MLC แต่ก็ให้ความจุที่สูงขึ้นในราคาที่ถูกกว่าเนื่องจากความสามารถในการเขียนข้อมูลลงในเซลล์เดียวได้มากขึ้น ไดรฟ์ TLC ส่วนใหญ่ใช้การแคช SLC บางประเภทซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ในกรณีที่ไม่มีแคชไดรฟ์ TLC จะไม่เร็วกว่าฮาร์ดไดรฟ์แบบเดิมมากนัก สำหรับผู้บริโภคทั่วไปไดรฟ์เหล่านี้ให้คุณค่าที่ดีและสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและราคา ผู้ใช้มืออาชีพและมืออาชีพควรพิจารณาไดรฟ์ MLC ระดับองค์กรเพื่อประสิทธิภาพที่ดียิ่งขึ้นหากเห็นว่าเหมาะสม
• Quad-Level Cell (QLC):นี่คืออีกระดับของเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลที่มีแนวโน้มว่าจะมีความจุสูงขึ้นในราคาที่ถูกลง นอกจากนี้ยังใช้เทคนิคการแคชเพื่อให้ได้ความเร็วที่ดี ความทนทานอาจลดลงเล็กน้อยเมื่อใช้ไดรฟ์ที่ใช้ QLC NAND และประสิทธิภาพการเขียนอย่างต่อเนื่องจะลดลงเมื่อแคชเต็ม อย่างไรก็ตามควรแนะนำไดรฟ์ที่กว้างขวางมากขึ้นในราคาที่เหมาะสม

นี่คือรูปแบบปัจจุบันของ NAND Flash ที่มีอยู่ใน SSD ในปัจจุบัน เนื่องจากผู้ผลิตมักจะคิดค้นและปรับปรุงการออกแบบเหล่านี้เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและที่สำคัญกว่านั้นคือการลดต้นทุนเราจึงได้เห็นการนำสิ่งที่เรียกว่า 3D NAND มาใช้ใน SSD

ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ 2D หรือ Planar NAND มีเซลล์หน่วยความจำเพียงชั้นเดียวในขณะที่เซลล์ 3D NAND จะเรียงซ้อนกัน ขณะนี้ผู้ผลิตไดรฟ์กำลังวางซ้อนกันมากขึ้นเรื่อย ๆ ซึ่งนำไปสู่ไดรฟ์ที่หนาแน่นขึ้นกว้างขวางขึ้นและราคาไม่แพง ปัจจุบัน 3D NAND Layering กลายเป็นเรื่องปกติธรรมดาและ SSD ส่วนใหญ่ใช้เทคนิคนี้ ไดรฟ์เหล่านี้มีราคาต่ำกว่าแบบระนาบเนื่องจากมีราคาถูกกว่าในการผลิตแพคเกจแฟลชแบบเรียงซ้อนที่หนาแน่นขึ้นเมื่อเทียบกับ 2D ซัมซุงเรียกการใช้งานนี้ว่า“ V-NAND” ในขณะที่ Toshiba ตั้งชื่อว่า“ BISC-Flash”

เทคนิคนี้ยังช่วยให้ผู้ผลิตไดรฟ์สามารถผลิต SSD ที่มีความจุสูงขึ้นในราคาที่ถูกลงในปริมาณมาก

X-NAND คืออะไร

X-NAND เป็นการผสมผสานระหว่างสิ่งที่ดีที่สุดเกี่ยวกับ SLC และ QLC ในทางทฤษฎี หลักของแนวคิดนี้พยายามที่จะนำสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลกมารวมไว้ในที่เดียวและนั่นคือสิ่งที่จำเป็นในการผลักดันกลุ่มเทคโนโลยี NAND Flash ไปข้างหน้า

สถาปัตยกรรม X-NAND ได้รับการนำเสนอโดย CEO ของ NEO Semiconductor ในงาน Flash memory Summit สำหรับปี 2021 สถาปัตยกรรมใหม่นี้สัญญาว่าจะรวมความเร็วของ SLC Flash เข้ากับความหนาแน่นและราคาที่ต่ำของ QLC Flash เมื่อเทียบกับ QLC NAND ทั่วไปเวลาในการอ่านจะดีขึ้นถึง 30% เวลาโปรแกรม 37% ปริมาณการอ่านสูงสุด 27 เท่าและแบนด์วิดท์การเขียนสูงสุด 14 เท่า นี่คือการปรับปรุงทางดาราศาสตร์เมื่อเราเปรียบเทียบกับสิ่งที่เรามีอยู่ในปัจจุบันทำให้ X-NAND เป็นสถาปัตยกรรมที่น่าหลงใหลอย่างแท้จริงที่จะมองหาในอนาคตอันใกล้

ข้อดีของ X-NAND

Andy Hsu ซีอีโอของ NEO Semiconductor อธิบายถึงประโยชน์ที่เป็นไปได้ของ X-NAND ในการประชุมสุดยอดแฟลชเมมโมรี่เสมือนสามวันสำหรับปี 2020 ต่อไปนี้เป็นข้อดีที่สำคัญบางประการของ X-NAND ที่มีเหนือเทคโนโลยีแฟลชในปัจจุบัน

ความเร็ว

สิ่งที่ดีที่สุดเกี่ยวกับ X-NAND คือการควบรวมของสองสิ่งที่ดีที่สุดที่เราพบใน SLC และ QLC NAND ในปัจจุบัน ปัจจุบันผู้ใช้ต้องเลือกระหว่างความจุและความสามารถในการจ่ายของ QLC หรือความเร็วดิบของบางอย่างเช่นไดรฟ์ MLC (เนื่องจาก SLC ไม่นิยมใช้เพื่อสร้าง SSD สำหรับผู้บริโภคอีกต่อไป) เนื่องจาก X-NAND สัญญาว่าจะรวมความเร็วของ SLC เข้ากับความจุของ QLC เราจึงไม่ต้องสงสัยเลยว่าเทคโนโลยีใหม่นี้จะส่งมอบตัวเลขความเร็วที่ไร้สาระ

ความจุ

ปัจจุบัน QLC เป็นตัวเลือกประเภท NAND Flash สำหรับการผลิต SSD ความจุสูงในราคาที่สมเหตุสมผล เนื่องจากสถาปัตยกรรมและความหนาแน่นของแฟลช QLC ทำให้สามารถจัดเก็บข้อมูลในแฟลชได้มากกว่าที่คุณสามารถจัดการเพื่อจัดเก็บใน MLC ที่ติดตั้งในลักษณะเดียวกันหรือแม้แต่ไดรฟ์ TLC การนำประโยชน์ด้านความจุของ QLC NAND ที่ช้ากว่ามาใช้กับ SLC ความเร็วที่สูงขึ้นอาจทำให้เกิด SSD ที่รวมสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลกไว้ด้วยกัน

ราคาไม่แพง

ไม่มีข้อมูลบางอย่างเกี่ยวกับการกำหนดราคาของ X-NAND ณ เวลาที่เขียน แต่หากสถานการณ์การกำหนดราคาปัจจุบันของ SLC และ QLC NAND เป็นสิ่งที่ต้องดำเนินต่อไป X-NAND มีศักยภาพที่จะถูกเท่ากับ QLC ใน อนาคตอันใกล้. QLC เป็นรูปแบบ NAND ที่ช้าที่สุดและมากที่สุดใน SSD ในปัจจุบันและเป็นราคาที่ถูกที่สุดด้วย ในขณะที่อาจจะเป็นการยืดเวลาที่จะบอกว่า X-NAND จะจับคู่หรือตัดราคาไดรฟ์ QLC ในปัจจุบันอย่างแน่นอน แต่ศักยภาพนั้นมีอยู่อย่างแน่นอนและไม่อาจปฏิเสธได้ กลุ่ม SSD ราคาประหยัดมีการแข่งขันสูงอยู่แล้วดังที่เราได้กล่าวไว้ในบทสรุปของ 5 SATA SSDs ราคาประหยัดที่ดีที่สุดที่จะซื้อในปี 2021 และด้วย X-NAND มันมีศักยภาพที่จะแออัดมากขึ้น

กลไกเบื้องหลัง X-NAND

ในขณะที่ไดรฟ์ QLC สำหรับผู้บริโภคต้องพึ่งพาการแคช SLC เป็นอย่างมาก (มี SLC NAND จำนวนเล็กน้อยบนบอร์ดเพื่อเร่งกระบวนการ) X-NAND หาวิธีให้แฟลชคงประสิทธิภาพ SLC ไว้เป็นระยะเวลานาน สิ่งนี้ทำได้โดยการอนุญาตโหมดเขียน SLC และ QLC พร้อมกันซึ่งไม่ใช่กระบวนการที่ใช้ในไดรฟ์ QLC ปัจจุบัน

ดังที่เห็นได้จากแผนภูมิประสิทธิภาพนี้ปริมาณงานเขียนของไดรฟ์ QLC ที่ทันสมัยตกลงมาจากหน้าผาหลังจากช่วงเวลาหนึ่งผ่านไป เนื่องจากแคช SLC เต็มและไดรฟ์ต้องพึ่งพา QLC NAND ที่ช้ากว่ามากในการย้ายข้อมูล เปรียบเทียบกับเส้นกราฟ X-NAND ซึ่งอยู่ที่ 100% ตลอดการทดสอบ และความแตกต่างคือกลางวันและกลางคืน ที่นี่เราสามารถชื่นชมคุณประโยชน์ด้านประสิทธิภาพของ X-NAND ซึ่งนำความเร็วระดับ SLC มาสู่ช่วงราคาและระดับความจุที่เหมาะสมกว่า

X-NAND บรรลุผลกำไรเหล่านี้โดยไปจากบัฟเฟอร์หน้า 16KB ต่อระนาบไปยังบัฟเฟอร์เพจ 1KB ต่อระนาบ แต่มีระนาบสิบหกเท่าตามที่กล่าวไว้ในตัวอย่างเดียว สิ่งนี้สามารถทำความเข้าใจเพิ่มเติมได้โดยการแยกคำศัพท์บางคำที่ใช้ที่นี่ ระนาบมีแนวโน้มที่จะเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดในการแทรกสอดของแฟลชโดยมีระนาบหนึ่งหรือหลายระนาบต่อแฟลชไดรฟ์ บัฟเฟอร์ของเพจจะเก็บข้อมูลระหว่างบัสและแฟลช แฟลชไดย์แบ่งออกเป็นระนาบที่มีเส้นบิตหรือสตริงของเซลล์ดังนั้นการแบ่งระนาบจะช่วยลดความยาวของเส้นบิตและช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ ประสิทธิภาพการเขียนสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมากโดยใช้กระบวนการนี้

การใช้งานในอนาคต

อนาคตน่าจะสดใสอย่างแน่นอนหากเราดูศักยภาพของ X-NAND แม้ว่าจะเป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาได้อย่างแน่นอนว่า X-NAND จะเป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้งานได้จริงในตลาดเร็ว ๆ นี้หรือไม่ แต่หนทางข้างหน้าดูเหมือนจะปูไว้อย่างดีสำหรับการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ X-NAND จะเป็นหนึ่งในการเขย่าตลาดของโซลิดสเตทสตอเรจอย่างแน่นอนหากเปิดตัวในสถานการณ์ตลาดปัจจุบัน

เมื่อคำนึงถึงศักยภาพในการปรับปรุงและขัดเกลาเพิ่มเติม X-NAND สามารถเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับศูนย์ข้อมูลและแอปพลิเคชันระดับองค์กรในอนาคต สิ่งที่สำคัญที่สุดในการตั้งค่าศูนย์ข้อมูลคือความปลอดภัยและความซ้ำซ้อนของข้อมูล หากจิตใจที่อยู่เบื้องหลัง X-NAND สามารถหาวิธีเพิ่มความทนทานและความน่าเชื่อถือของ NAND นี้ได้นั่นอาจเป็นกลุ่มตลาดที่ X-NAND สามารถส่งผลกระทบในอนาคตอันใกล้นี้ได้อย่างแน่นอน

สำหรับพีซีสำหรับผู้บริโภคและแอพพลิเคชั่นเกมก็มีศักยภาพมากมายในพื้นที่นี้เช่นกัน ในปัจจุบันผู้ซื้อ SSD ที่มีศักยภาพจะขาดความแน่นอนระหว่างความเร็วของ MLC / TLC และความจุและราคาของ QLC NAND การกำหนดราคาจะมีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อความสำเร็จของ X-NAND ในตลาดเดสก์ท็อปสำหรับผู้บริโภค แต่เราสามารถคาดหวังได้ว่าจะดีขึ้นเมื่อสถาปัตยกรรมเติบโตขึ้นและกระบวนการผลิตมีความคล่องตัวมากขึ้น

สรุป

แม้ว่าอาจฟังดูดีเกินจริง แต่ X-NAND เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ปฏิวัติวงการซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อรวมส่วนที่ดีที่สุดของประเภท SLC และ QLC NAND แม้ว่าตอนนี้อาจจะไม่ง่ายอย่างนั้น แต่ศักยภาพของเทคโนโลยีนี้ก็ไม่สามารถละเลยได้ สิ่งนี้ไม่เพียง แต่จะเป็นความก้าวหน้าครั้งใหญ่ในด้านศูนย์ข้อมูลและการประมวลผลแบบล้ำยุคเท่านั้น แต่ยังอยู่ในตลาดสำหรับพีซีเดสก์ท็อปและเครื่องเกมสำหรับผู้บริโภคอีกด้วย X-NAND ยังอยู่ในช่วงวัยเด็กในขณะนี้และไม่มีผลิตภัณฑ์ใดในตลาดที่ใช้แฟลช NAND นี้ในขณะที่เขียน แต่น่าจะเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นเมื่อได้เห็นสิ่งที่อยู่เบื้องหลัง X-NAND ได้วางแผนไว้สำหรับการเปิดตัวในที่สุด ตลาด.