QLC med SLC-cache – tekniken bakom stor och prisvärd lagring i Intel SSD 660p

QLC står för Quad-Level Cell, en minnesteknik som likt namnet antyder sparar fyra bitar data per minnescell. Detta gör det möjligt att spara större mängder data på ett lager av minnesceller, men teknikens egenskaper kommer också med några nackdelar. Här går vi igenom de olika typerna av NAND-minnen och hur deras egenskaper skiljer sig åt.

Vad är NAND Flash-minne?

NAND Flash-minne består av ett antal lager av minnesceller. Cellerna kan lagra databitar, och informationen i dessa bitar stängs av och på genom elektriska signaler – att ström tillförs helt enkelt. Hur dessa lager och celler struktureras bestäms av minnestekniken och lagringsstrukturen.

Antalet bitar som lagras per cell avgör dess namn, där SLC står för Single-Level Cell och kan lagra en bit per cell. MLC står för Multi-Level Cell och kan lagra två bitar per cell, och TLC står för Triple-Level Cell och kan logiskt nog lagra tre bitar per cell.

Strukturen för NAND Flash har också utvecklats på senare år. Från början strukturerades minnescellerna planärt, på ett 2D-plan, vilket tillsammans med minneskontroller, DDR-minne och andra komponenter begränsade hur mycket lagringsutrymmet kunde utvecklas. Modern NAND-lagring använder istället 3D NAND, där lager och minnesceller lagras vertikalt istället.

SLC – begränsad men snabb

SLC kallas Single-Level Cell helt enkelt för att minnescellerna endast lagrar en bit data per cell, och cellen har bara ett enda tillstånd. De är antingen av eller på, och att ändra deras tillstånd är så enkelt som att tillföra ström till cellen. Denna enkelhet har fördelen att det är väldigt snabbt och pålitligt, och slitaget på minnescellen är relativt lågt.

Det innebär dels att SLC-baserad NAND-lagring överlever många skrivningar och läsningar innan cellerna får försämrad prestanda, och dels att SLC-baserat NAND-minne har begränsad lagringskapacitet. Det innebär att SLC NAND i regel används i enterprise-sammanhang där pålitlighet och hållbarhet är prioriterat, medan konsumentlagring tenderar att prioritera större lagringsmängd och lågt pris.

MLC – mer utrymme men lägre hållbarhet

Multi-Level Cell kan alltså lagra fler bitar per cell, närmare bestämt två bitar per cell. Fördelarna med detta är att tillverkningskostnaden blir lägre och det blir möjligt att få plats mer mer data per lager. I MLC NAND kan en cell innehålla fyra olika tillstånd, vilket gör det möjligt att lagra två bitar information per cell. Med andra ord en dubblering mot SLC.

Två tillstånd används då till att låta en bit information vara av eller på, och samma sak för cellens andra lagringsbit. Nackdelen med detta över SLC är att marginalerna mellan de olika tillstånden blir mindre, och därmed ökar risken för fel. Firmware-mjukvara och SSD-enhetens minneskontroller utrustas därför i regel med felkorrigerande funktioner, något som sänker prestandan jämfört med SLC.

TLC – billig och rymlig men lägre hållbarhet

Triple-Level Cell lagrar alltså tre bitar data per cell. Lagringen för dessa celler styrs av åtta tillstånd som gör det möjligt att lagra de tre bitarna per cell. TLC är i praktiken en förstärkning av egenskaperna hos MLC NAND och ökar kapaciteten per minnescell med 50 procent.

Det innebär att kostnaderna blir lägre och det blir möjligt att lagra mer data på samma utrymme, men det innebär också att hållbarheten och prestanda blir lägre. Prestandafrågan blir här mycket beroende på hur framgångsrikt lagringsmjukvaran och minneskontrollen kan utföra felkorrigering med så liten påverkan på prestanda som möjligt.

Kombinationen av TLC och 3D NAND med upp till 64 lager minnesceller har gjort det möjligt att öka storleken på SSD-enheters lagringskapacitet markant. Samtidigt har TLC-tekniken inneburit att prisnivåerna för lagringskapaciteten varit betydligt lägre än föregående NAND-tekniker.

QLC – en förstärkning av TLC med allt det innebär

Nästa steg blir alltså att lagra fyra bitar per cell, vilket är exakt vad Quad-Level Cell (QLC) gör. Detta åstadkoms genom att individuella celler kan variera mellan 16 olika tillstånd, eller strömstyrka. Fyra bitar per cell i en 3D NAND-lösning innebär stora mängder data till låg prislapp, vilket gör det möjligt att skapa QLC-baserade SSD-enheter med terabyte-kapacitet och relativt låga prisnivåer. Fördelen med denna teknik mot TLC är en tredjedels högre kapacitet.

Ett steg framåt i antalet bitar per cell innebär också att det blir mer komplicerat att särskilja de olika strömtillstånden från varandra, vilket ökar sannolikheten för fel vilket i sin tur ställer högre krav på felkorrigering. Det innebär att QLC får lägre prestanda än TLC, och också ännu lägre hållbarhet.