NAND et cellules: SLC, QLC, TLC et MLC expliquées

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De nos jours, tout ce que vous possédez et qui sert une fonction de stockage de données est susceptible de contenir NAND Flash; son utilisation a connu une croissance exponentielle au fil des ans avec des pétaoctets (c'est-à-dire un million de gigaoctets) de produits expédiés au cours de la dernière décennie.

De nos jours, la NAND peut être trouvée tout autour de nous – le smartphone que vous possédez, le serveur d'un hébergeur, l'ordinateur de votre bureau et même des équipements médicaux complexes peuvent comporter la NAND.

Les NAND ne sont pas tous créés de manière égale, comprendre la différence entre les types de Flash NAND est une tâche importante, mais généralement négligée par les consommateurs. Différents types de NAND ont des caractéristiques différentes, ce qui a des implications importantes en termes de performances, d'endurance, de fiabilité et de coût.

Qu'est-ce que le flash NAND?

NAND Flash est un type de technologie de stockage non volatile. Non volatile signifie simplement que la NAND, contrairement à la DRAM (ou à la mémoire système), n'a pas besoin d'énergie pour conserver les données. La capacité de conserver les données après la mise hors tension fait de la NAND une excellente option pour les périphériques de stockage externes en déplacement.

Contrairement à disques durs (HDD), NAND Flash n'est pas une technologie magnétique, mais utilise des circuits électriques et un certain nombre de cellules de mémoire pour stocker des données. Le NAND possède plusieurs avantages par rapport au disque dur, par exemple, il n'a pas de pièces mobiles, donc en théorie, les données ne seront pas affectées par des chutes ou des chutes accidentelles. Les périphériques Flash NAND ont tendance à être plus petits et plus légers par rapport aux disques durs, mais surtout, les performances des périphériques Flash NAND sont considérablement plus élevées que celles des disques durs.

L'inconvénient majeur de la NAND vient du fait qu'ils ont tendance à être chers au dollar par gigaoctet, en particulier par rapport aux disques durs plus traditionnels. Les deux méthodes les plus courantes pour compenser ce problème consistent à ajouter des bits par cellule ou à s'éloigner de la technologie planaire 2D à la technologie NAND 3D et au-delà.

3D NAND en bref

La NAND 3D également connue sous le nom de technologie V-NAND permet de superposer les cellules NAND. La superposition de NAND contribue à surmonter les limitations de capacité planes de NAND. Comme les cellules NAND sont empilées verticalement au lieu de horizontalement, une densité plus élevée peut être obtenue sans sacrifier l'intégrité des données.

La NAND 3D offre non seulement une densité de mémoire plus élevée par rapport à la NAND 2D, mais est également capable d'obtenir une consommation d'énergie inférieure, une meilleure endurance, des vitesses de lecture et d'écriture plus élevées et un coût global par gigaoctet inférieur.

Bits par cellule

Les cellules de mémoire flash sont les éléments de base de NAND Flash. Les données sont stockées sous forme de bits dans les cellules, les bits représentent une charge électrique contenue dans la cellule qui peut être facilement activée et désactivée au moyen d'une charge électrique. L'ajout de bits à la cellule augmente le nombre d'états qu'une cellule peut avoir, augmentant ainsi de façon exponentielle sa capacité.

De plus, le nombre de bits contenus dans une cellule est l'un des principaux moyens de classer NAND Flash:

Cellule à niveau unique (SLC): Ils ne peuvent stocker qu'un bit par cellule et prendre jusqu'à deux niveaux de charge. SLC NAND offre les performances, la fiabilité et l'endurance les plus élevées (jusqu'à 100 000 cycles P / E (programme / effacement)). Cependant, la densité de mémoire est la plus faible parmi les variantes et le prix par Go est considérablement plus élevé que les autres types. SLC est uniquement disponible au format 2D et principalement utilisé dans les configurations d'entreprise.

Cellule à plusieurs niveaux (MLC): Le MLC prend jusqu'à 2 bits par cellule et quatre niveaux de charge. Disponible en versions 2D et 3D, MLC offre de bonnes performances, fiabilité et endurance à un prix moins cher que SLC. Les variantes 3D NAND peuvent atteindre des cycles P / E dans la plage de 30K.

Cellule à trois niveaux (TLC): TLC stocke 3 bits par cellule pour jusqu'à huit niveaux de charge. Couramment utilisé pour les produits grand public, le TLC a une performance, une fiabilité et une endurance inférieures aux deux précédentes. Cependant, un prix moins cher et une densité de mémoire plus élevée compensent la baisse des performances. La variante 3D peut atteindre jusqu'à 3 000 cycles P / E.

Cellule à quatre niveaux (QLC): À l'instar de la TLC, la QLC se trouve également couramment dans les produits de consommation. QLC stocke 4 bits par cellule et peut prendre jusqu'à 16 niveaux de charge. Parmi les 4 variantes répertoriées, il a la densité de mémoire la plus élevée et le prix le moins cher. Cependant, le prix inférieur a un coût en performances, fiabilité et endurance (jusqu'à 1K P / E).

Cellule Penta-Level (PLC): Annoncé en 2019, PLC a été salué comme la prochaine étape logique dans la technologie de stockage à semi-conducteurs. Avec la capacité de stocker 5 bits par cellule et jusqu'à 32 (2 ^ 5) niveaux, PLC devrait faire tomber la dernière ligne de défense du disque dur, à savoir une capacité de stockage élevée à des prix abordables. Le PLC facilitera la production de SSD à faible coût et de grande capacité; cependant, les inconvénients en termes d'endurance, de vitesse et de fiabilité trouvés dans QLC persisteront.

Le paradigme de la performance des coûts

Bien que l'augmentation du nombre de bits par cellule soit un moyen infaillible de réduire les coûts et d'augmenter la capacité, elle a des effets considérablement négatifs sur les performances, la fiabilité et l'endurance. Chaque bit supplémentaire rend la lecture et l'écriture à partir d'une cellule plus longue, les besoins en tension augmentent également, tout comme la consommation d'énergie. Une tension plus élevée entraîne des températures plus élevées, ce qui facilite un phénomène appelé fuite d'électrons et peut entraîner une corruption des données.

De plus, chaque bit ajouté aux cellules augmente le besoin de technologies complètes de correction d'erreurs. Ces solutions contribuent au maintien d'une bonne intégrité des données, mais elles le font au prix d'une latence plus élevée et de performances aléatoires inférieures (généralement mesurées en IOPS).

La doublure argentée

Malgré les inconvénients mentionnés, les importantes réductions de coûts et une capacité de stockage toujours croissante compensent un compromis équitable. De nos jours, la plupart des consommateurs peuvent accéder aux vitesses incroyablement rapides des SSD à des prix très bas, avec dans certains cas des prix commençant bien en dessous de 100 $ pour près de 1 To (par exemple le Silicon Power PC60).

Il est important de se rappeler que les cellules NAND ne sont pas le seul élément qui a un effet sur les performances du flash, des choses comme l'interface utilisée, le surprovisionnement (dédier une partie du stockage disponible au contrôleur), la mise en cache SLC, le contrôleur, l'inclusion de DRAM, entre autres, joue également un rôle important.

Comme la plupart des achats, au final, tout se résume au consommateur et à ses besoins spécifiques. Tout comme QLC ne ferait pas la coupe pour un fournisseur 5G à la recherche d'options de stockage pour ses stations de base, les solutions SLC seraient exagérées pour le consommateur moyen.

Anthony Spence, spécialiste du marketing chez Silicon Power

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