Мы живем в эпоху стремительного роста объема данных. Обучение искусственному интеллекту, работа с облачными сервисами, архивирование видео высокой четкости и потребность в замене традиционных механических жестких дисков - все это вызывает практически безграничное стремление к увеличению емкости хранения данных. Однако миниатюризация процессов производства полупроводников постепенно приближается к физическим пределам, что делает крайне важным снижение стоимости одного гигабайта за счет увеличения плотности хранения. На пути технологической эволюции - от SLC, хранящих 1 бит на ячейку, к MLC с 2 битами, TLC с 3 битами и QLC с 4 битами - каждый шаг представляет собой новый баланс между стоимостью и надежностью. Сегодня технология PLC (Penta-Level Cell), хранящая 5 бит данных на ячейку, рассматривается как ключевое направление развития следующего поколения систем хранения данных высокой плотности.
Основы флэш-памяти NAND: как зарядка хранит данные
Флэш-память NAND Это один из видов энергонезависимой памяти, то есть она может сохранять данные в течение длительного времени даже после отключения питания. Ее основная функциональность основана на точном контроле количества заряда в каждой ячейке памяти. Самую простую ячейку памяти можно представить как специальный транзистор с изолирующим слоем, называемым "плавающим затвором", или аналогичным функциональным "слоем-ловушкой заряда". Уникальность этого слоя заключается в том, что инжектированные электроны эффективно изолируются, что позволяет сохранять их в течение длительного времени, обеспечивая постоянное хранение данных.
Принцип записи данныхКонкретный метод записи данных характеризуется "пороговым напряжением". Пороговое напряжение - это минимальное напряжение, необходимое для включения транзистора. При подаче различного количества электронов на плавающий затвор электрические характеристики транзистора изменяются, тем самым меняя его пороговое напряжение. Контроллер подает опорное напряжение и определяет, включился ли транзистор, таким образом определяя текущее состояние порогового напряжения ячейки. Каждое конкретное состояние напряжения соответствует уникальному кодированию данных. Суть технологии "многоуровневых ячеек" заключается в точном определении и различении более двух состояний порогового напряжения в пределах одной ячейки, что позволяет хранить более одного бита данных.
Запись, чтение и стираниеИсходя из вышеизложенных принципов, операции с NAND Flash в основном делятся на три типа: запись, чтение и стирание. Операция записи, также называемая программированием, выполняется путем подачи заряда на плавающий затвор ячейки. Операция стирания удаляет заряд с плавающего затвора, возвращая ячейку в исходное состояние. Важно отметить, что наименьшим блоком стирания для NAND Flash является "блок", в то время как программирование и чтение могут выполняться на меньшем блоке "страница". Во время операции чтения контроллер подает на ячейку серию точных опорных напряжений. Определяя, включается ли транзистор при различных напряжениях, он определяет пороговое напряжение, соответствующее текущему сохраненному заряду, и в итоге декодирует сохраненные данные.
Восхождение 3D NANDПо мере того как производственные процессы продолжают сокращаться, планарная флэш-память NAND столкнулась с физическими узкими местами и проблемами надежности при дальнейшем уменьшении размеров. Чтобы продолжить наращивать емкость, индустрия обратилась к технологии трехмерной укладки, известной как 3D NAND. 3D NAND укладывает ячейки памяти вертикально, как при строительстве небоскреба, что позволяет многократно увеличить плотность хранения данных на той же площади. Однако помимо трехмерной укладки, увеличение количества битов, хранимых в одной ячейке памяти, остается еще одним фундаментальным технологическим путем для дальнейшего повышения плотности хранения и снижения стоимости.
Эволюция технологий хранения данных: От SLC к QLC
Основная цель эволюции технологий хранения данных - постоянное увеличение плотности хранения данных для снижения стоимости одного гигабайта. Эта цель достигается в первую очередь за счет увеличения количества битов, хранимых в одной ячейке памяти. Ниже описывается путь развития технологии от SLC до QLC.
SLC: эталон производительности и надежности
SLC означает Single-Level Cell (одноуровневая ячейка), хранящая 1 бит данных на ячейку. Этот 1 бит данных соответствует двум состояниям заряда, обычно представляемым как 0 и 1. Поскольку необходимо различать только два состояния, SLC обеспечивает чрезвычайно высокую скорость чтения/записи, самый долгий срок службы и самую высокую надежность данных. Его недостатком является самая низкая плотность хранения данных, что приводит к самой высокой стоимости одного гигабайта. Поэтому SLC используется в основном в корпоративных серверах и промышленных областях, где производительность и надежность имеют первостепенное значение.
MLC: точка равновесия между производительностью и стоимостью
MLC - это многоуровневая ячейка, в которой хранится 2 бита данных на ячейку, что соответствует четырем состояниям заряда. Благодаря хранению большего количества данных в каждой ячейке MLC достигает вдвое большей емкости, чем SLC, при той же площади кристалла, что значительно снижает стоимость. Хотя их производительность, срок службы и надежность не так высоки, как у SLC, они достигают хорошего баланса. MLC долгое время был основным выбором для твердотельных накопителей высокого класса для потребителей и корпоративных систем хранения данных.
TLC: основной выбор для потребительского рынка
Аббревиатура TLC означает Triple-Level Cell, в каждой ячейке хранится 3 бита данных, что соответствует восьми состояниям заряда. TLC еще больше расширяет преимущества плотности хранения и снижения стоимости, становясь абсолютным мейнстримом на современном потребительском рынке SSD. Благодаря усовершенствованным алгоритмам контроллера и технологиям коррекции ошибок его выносливость уже удовлетворяет требованиям подавляющего большинства повседневных приложений.
QLC: практика хранения данных высокой плотности
QLC расшифровывается как Quad-Level Cell, в каждой ячейке хранится 4 бита данных, что соответствует шестнадцати состояниям заряда. Преимущество QLC заключается в высокой плотности хранения данных и более низкой стоимости, что делает его очень подходящим для создания твердотельных накопителей большой емкости. Однако его недостатки также более очевидны: низкая скорость записи и сокращение срока службы по сравнению с TLC. В настоящее время QLC используется в основном в сценариях с низкими требованиями к скорости записи, таких как внешние накопители большой емкости и холодные хранилища данных в центрах обработки данных.
Основные проблемы, стоящие за эволюцией
Эволюция от SLC к QLC не является простым линейным сложением. По мере увеличения количества бит в ячейке число состояний напряжения, которые необходимо точно различать, растет экспоненциально - с 2 до 16. Это означает, что окно напряжения, используемое для различения различных состояний, сжимается чрезвычайно узко, что делает требования к точности управления зарядом, возможности защиты сигнала от помех и технологии коррекции ошибок чрезвычайно жесткими. Развитие технологии ПЛК - это следующий шаг, непосредственно направленный на решение этой ключевой задачи.
Технология ПЛК
PLC, или Penta-Level Cell, - это следующий этап эволюции технологии NAND Flash. Ее главная особенность - повышение плотности хранения данных до новых высот, но при этом она сталкивается с беспрецедентными инженерными проблемами.
Техническое определение ПЛК
PLC означает Penta-Level Cell, то есть каждая ячейка памяти хранит 5 бит данных. Эти 5 бит соответствуют 32 различным состояниям порогового напряжения. По сравнению с 16 состояниями QLC, PLC требует точного определения вдвое большего количества уровней напряжения в пределах одного физического окна напряжения. В настоящее время эта технология все еще находится на стадии разработки и проверки, а ведущие производители, такие как Solidigm, уже продемонстрировали прототипы продуктов, что указывает на будущее направление развития систем хранения данных высокой плотности.
Основная проблема: узкое окно напряжения
Фундаментальная проблема, стоящая перед технологией ПЛК, лежит на физическом уровне. Чтобы различить 32 состояния напряжения, разность напряжений между каждым соседним состоянием должна быть сжата до очень малого значения. В результате окно напряжения становится очень узким, а допустимая погрешность резко снижается. Любое крошечное колебание заряда, изменение характеристик транзистора или электронный шум во время считывания могут привести к тому, что контроллер неправильно определит состояние напряжения, что приведет к ошибкам в данных. Можно сказать, что граница осуществимости ПЛК напрямую зависит от того, удастся ли эффективно преодолеть эту проблему соотношения сигнал/шум.
Инженерный прорыв
В условиях чрезвычайно высоких собственных коэффициентов битовых ошибок практичность ПЛК во многом зависит от значительных достижений в области контроллеров хранения и технологий коррекции ошибок. Традиционные коды коррекции ошибок больше не могут удовлетворять требованиям; необходимо использовать более мощные коды с низкой плотностью проверок на четность в сочетании с технологией мягкого декодирования. Технология мягкого декодирования не просто оценивает сигнал как 0 или 1, а определяет наиболее вероятное значение данных путем вычисления вероятности, что значительно повышает возможности исправления ошибок. Кроме того, контроллер должен иметь интеллектуальные механизмы повторного считывания. Если первое считывание не удалось, контроллер может динамически регулировать опорное напряжение в течение нескольких считываний, чтобы найти правильную точку сигнала. Эти сложные алгоритмы предъявляют очень высокие требования к вычислительной мощности контроллера.
Влияние на производительность и продолжительность жизни
Характеристики технологии PLC также напрямую влияют на ее производительность и надежность. Поскольку для соответствия 32 состояниям напряжения требуется более точный контроль введения заряда, процесс записи требует большего количества циклов "программа-проверка", что приводит к значительному снижению скорости записи по сравнению с QLC и TLC. Что касается срока службы, то более частые и точные операции заряда ускоряют старение ячеек памяти. Поэтому ожидается, что собственная выносливость PLC-флэш будет ниже, чем у QLC. Чтобы компенсировать этот недостаток в практических приложениях, необходимы дополнительные меры на системном уровне, такие как настройка избыточного резервирования, применение более агрессивных алгоритмов выравнивания износа данных и использование кэширования SLC для поглощения нагрузки при пакетной записи.
Различия между пятью технологиями ячеек памяти
В таблице ниже наглядно показаны различия в ключевых показателях между пятью технологиями ячеек памяти NAND Flash - от SLC до PLC.
| Тип технологии | Биты на ячейку | Количество государств | Относительная стоимость | Относительная выносливость | Главное преимущество | Типичные сценарии применения |
|---|---|---|---|---|---|---|
| SLC | 1 бит | 2 | Самый высокий | Самый высокий | Сверхвысокая скорость, очень долгий срок службы, высокая надежность | Высокоскоростной кэш-память для критически важных предприятий |
| MLC | 2 биты | 4 | Высокий | Высокий | Отличное соотношение производительности и стоимости | Твердотельные накопители для предприятий, потребительские твердотельные накопители высокого класса |
| TLC | 3 бита | 8 | Средний | Средний | Основной выбор по цене и производительности | Твердотельные накопители для широкого потребления, мобильные устройства |
| QLC | 4 бита | 16 | Низкий | Относительно низкий | Высокая плотность хранения, низкая стоимость | Твердотельные накопители большой емкости для потребителей, холодное хранение данных в центрах обработки данных |
| ПЛК | 5 бит | 32 | Ожидается низкий уровень | Ожидается низкий уровень | Максимальная плотность хранения данных, низкая стоимость | Сверхмасштабное архивирование холодных данных |
Из таблицы видна четкая тенденция: с увеличением количества бит, хранимых в ячейке, плотность хранения и экономическая эффективность постоянно растут, но это происходит за счет снижения скорости чтения/записи и срока службы ячеек. Поэтому разные технологии подходят для разных сценариев. SLC используется в областях с самыми строгими требованиями к производительности и надежности, в то время как цель PLC - обеспечить высокорентабельное решение для хранения массивных холодных данных в приемлемых пределах производительности и срока службы.
Значение, позиционирование и будущее технологии ПЛК
Преимущество в стоимости и плотности. Основной движущей силой развития технологии PLC является стремление к максимальной плотности хранения данных и экономичности. Благодаря размещению 5 бит данных в каждой ячейке памяти PLC может обеспечить большую емкость хранения, чем QLC, при той же площади кристалла. Это напрямую ведет к снижению стоимости одного гигабайта. Основным целевым рынком является замена областей, в которых в настоящее время доминируют механические жесткие диски большой емкости, предлагая решение для хранения холодных данных для гипермасштабных центров обработки данных, которое имеет преимущества в энергопотреблении на единицу объема, скорости доступа и занимаемой площади.
Серьезные проблемы. Массовое производство и применение технологии ПЛК сталкиваются с множеством серьезных проблем. Во-первых, различение 32 состояний напряжения требует беспрецедентной точности управления, что приводит к низкому начальному выходу продукции и чрезвычайно сложному контролю качества. Во-вторых, для обеспечения надежного хранения данных контроллеру необходимы мощные вычислительные возможности реального времени для выполнения сложных алгоритмов коррекции ошибок, что увеличивает сложность конструкции и энергопотребление основной микросхемы контроллера. Наконец, собственная выносливость флэш-памяти PLC невелика и должна компенсироваться технологиями системного уровня, такими как создание больших областей избыточного резервирования, использование более эффективных механизмов выравнивания износа данных и сборки мусора. Все это повышает сложность проектирования всего решения.
Сценарий применения Позиционирование.Исходя из технических характеристик, позиционирование сценариев применения ПЛК очень четкое и конкретное. Он отлично подходит для сценариев архивирования сверххолодных данных, в которых операции записи выполняются крайне редко, а частота доступа при чтении очень низкая. В качестве примера можно привести глубокие уровни архивного хранения в облачных сервисах, долгосрочное резервное копирование данных для соблюдения нормативных требований, исторические файлы журналов и сохранение цифровых активов, например медицинских изображений. И наоборот, PLC совершенно не подходит для задач с интенсивной записью, таких как операционные системы, базы данных и часто обновляемые данные приложений. Его роль заключается в том, чтобы быть самым недорогим и емким основополагающим уровнем в экосистеме хранения данных.
Перспективы на будущее.Коммерческое внедрение технологии PLC зависит не только от зрелости самих микросхем флэш-памяти, но и от скоординированного развития микросхем контроллеров, алгоритмов встроенного ПО и даже всей экосистемы системы хранения данных. Она представляет собой освоение физических пределов технологии NAND Flash в рамках существующей архитектуры. Индустрия в целом считает, что PLC, возможно, приближается к практическому пределу повышения плотности на уровне ячеек на основе принципа хранения заряда. Дальнейший прогресс будет в большей степени зависеть от дальнейшего увеличения количества слоев 3D-укладки и использования технологических инноваций, таких как искусственный интеллект, для оптимизации управления данными и эффективности исправления ошибок, что позволит достичь прорыва в производительности и надежности на системном уровне.
PLC NAND Flash представляет собой важный вызов физическим ограничениям, существующим в нынешней архитектуре технологии хранения данных. Это естественная эволюция, вызванная постоянным стремлением к снижению стоимости и повышению плотности хранения данных. Несмотря на то, что присущие ей характеристики определяют, что она будет использоваться в основном в конкретных областях, благодаря постоянной оптимизации алгоритмов контроллеров и решений на системном уровне, ожидается, что ПЛК будет играть незаменимую роль в будущей экосистеме хранения данных, вмещая огромные объемы холодных данных.
