HW novinky: po SLC, MLC a TLC přivítejme QLC NAND flash

15. 8. 2015 | David Ježek

Články - HW novinky: po SLC, MLC a TLC přivítejme QLC NAND flash  

Japonská Toshiba zase o další stupínek posouvá množství bitů nacpaných v jedné paměťové NAND flash buňce. Quadruple Level Cell však nebudou trpět dalším poklesem životnosti z hlediska zápisu dat, Toshiba je bude vyrábět zcela jinou technologií než 15nm planární, kterou nyní vyrábí čipy typu MLC a chystá TLC. Dále se podíváme na další podrobnosti o architektuře Skylake, kterou Intel před několika dny vypustil do světa.

Intel uvede odemčené 14nm Core i7 pro noteboooky, Ultrabookový Skylake s Iris Pro grafikou přijde na konci roku

Skylake se jedno musí nechat: je to v kombinaci se 14nm FinFET výrobou 2. generace u Intelu velmi flexibilní architektura. Intel na ní staví jak prťavoučké čipečky, tak velká čtyřjádra pro desktopy a upřímně, kdyby chtěl a kdyby neměl naplno rozjetou výrobu 22nm Haswell-E procesorů, tak by mohl klidně nabízet Skylake-E s osmi či více CPU jádry.

Takže zatímco v pátek jsme si povídali o desktopových čtyřjádrech a jejich problémech, je na čase na to navázat povídáním o mobilních verzích. Tam se totiž čekají dvě zajímavé řady. Tou první je hiendový Core i7 s odemčeným násobičem pro notebooky. 14nm výroba je zjevně tak skvělá, že nejenže Intel může dát do notebooků poměrně „plnotučné“ Core i7 s Turbo Boostem, ale současně nabídnout i odemčený násobič a možnost dalšího overclockingu. Samozřejmě se to týká zejména herních velkých notebooků, kde můžeme čekat nadstandardní chlazení, nad rámec běžných provozních parametrů mobilní verze Skylake, ale i tak jde o počin dosud moc neviděný. To je v tuto chvíli vše co oficiálně víme, neoficiálně se hovoří o tom, že Core i7 „K“ pro notebooky by mělo mít TDP 60 W, což je sakra hodně, ale v 17palcovém stroji s výkonnou GeForce (s ještě daleko vyšším TDP) „se to ztratí“. Zatím ale nebylo určeno žádné datum uvedení na trh, takže kromě jiného se možná čeká na to, až výroba procesorů Skylake vyplivne z prostředků těch nejlepších waferů dostatek čipů pro tyto účely použitelných.

Druhou novinkou u Skylake je příchod verze s hi-end grafikou známou jako Iris Pro, která vedle nejvyššího počtu výpočetních jader a nejvyšších taktů nese také vlastní eDRAM, která dále zvyšuje její výkon. Jde o čipy primárně pro Utlrabooky, kde se nepočítá s přídavnou grafikou a vše tak musí zastoupit GPU od Intelu. Slajdy prozrazují hned několik takových procesorů s TDP nastavitelných v rozmezí 7,5/10 až 15 W.

Toshiba představila QLC NAND flash se čtyřmi bity v jedné paměťové buňce

Japonská společnost, v jejíž laboratořích NAND flash paměti před pár desítkami let vznikly, představila další evoluční krok směrem k co nejlevnější výrobě. QLC, neboli Quadruple Level Cell, jsou NAND flash paměti, které neuchovávají v jedné paměťové buňce ani 1 bit (SLC), ani 2 bity (MLC), ani 3 bity (TLC), ale rovnou 4 bity dat.

Má to samozřejmě své nevýhody. Kdykoli je potřeba přepsat jediný bit, musí se přepsat celá paměťová buňka. U MLC se tedy bavíme o worst case scenario, kdy může být životnost paměti až poloviční oproti SLC, u TLC je to životnost čtvrtinová a u QLC nově tedy osminová. Je to dáno tím, že daná bitová posloupnost (u SLC buď 0, nebo 1; u MLC 00 / 01 / 10 / 11; u TLC 000 až 111 a u QLC 0000 až 1111) je reprezentována u SLC 2 možnými stavy, u MLC čtyřmi, u TLC osmi a u QLC šestnácti. Tento stav se ukládá danou hodnotou napětí, která u SLC nabývá pouze dvě hodnoty (obecně řečeno „Vmin“ a „Vmax“), u MLC se musí bezpečně uložit a následně při čtení rozlišit čtyři hladiny napětí a tak dále. Nebo řečeno ještě jinak: pokud má SSD řekněme 1000 garantovaných přepisů dat, než se jeho NAND flash buňky zničí, pak s SLC můžeme přepsat jeho obsah tisíckrát. U MLC je ten nejhorší možný scénář (kdy se VŽDY, při každém zápisu mění stav buňky - tento scénář téměř nikdy nenastává, jde o nejhorší teoreticky existující možnost a řadiče MLC / TLC / QLC používají čím dál sofistikovanější techniky aby to kompenzovaly) odpovídající 500 celkových přepisů, u TLC jsme na 250 a u QLC na 125 přepisech. Samozřejmě porovnáváno na hypotetické stejné výrobní technologii.

Odpíchněme se od toho nejnovějšího, tedy 15nm MLC čipů Toshiba/Sandisk, které nalezneme v SSD Sandisk Z400s. U těchto SSD udává výrobce počet zapsatelných dat odpovídající ~281 přepsáním celého prostoru SSD. Kdyby na bázi 15nm technologie měly být vyráběny i QLC čipy, nabídnou SSD zhruba 70 přepisům SSD. To je absolutně nepřijatelné a taková SSD by byla zcela nepoužitelná.

Toshiba tak tento problém řeší stejně jako Samsung: ten před nějakou dobou zavedl do praxe vrstvené 3D V-NAND čipy, které kapacitně umí ve stejném prostoru totéž jako nejnovější 16nm či 15nm čipy, ale jsou vyráběny velmi konzervativní 40nm technologií. Aktuálně už Samsung umí do jednoho pouzdra čipu navrstvit celkem 48 die. Toshiba na to jde podobně, svoji vrstvenou 3D technologii nazývá BiCS a ač zatím v souvislosti s těmito QLC čipy neupřesňuje výrobní proces, jasně hlásá, že bude konzervativní a oproti 15nm MLC nabídnou příslušná SSD s XXnm QLC BiCS čipy dokonce 1,5× vyšší životnost. Vzhledem k tomu, že Toshiba skutečně plánuje i 15nm TLC čipy, tak začínám být přesvědčen, že podobně jako Samsung nakonec dospěje ke zjištění, že vrstvení konzervativněji vyráběných NAND flash die je lepší cestou.

Primárně chystané QLC čipy cílí Toshiba pro archivační účely, nikoli pro běžné nasazení ve stále používaných SSD či jiných úložištích. Jak to jde dohromady se skutečností, že s rostoucí teplotou mají NAND flash paměti tendenci o to rychleji ztrácet data, to nechme na Toshibě. Na ní bude, aby pro QLC nadchla své partnery.

48vrstvé 3D V-NAND Smasung jsou tu

Když už jsem to naťukl, tak to dokončíme. Pro Samsung totiž nové čipy představují další významný evoluční krok. Před rokem a čtvrt totiž uvedl na trh 3D V-NAND flash čipy tvořené 32 vrstvami, nyní je ještě o polovinu dál, na 48 vrstvách. I díky těmto inovacím může uvádět na trh produkty jako 2TB spotřebitelská SSD jako 850 Pro (s MLC čipy) a 850 EVO (s TLC čipy). Jak jsem psal výše, 32vrstvé (a předchozí 24vrstvé) V-NAND čipy vyráběl Samsung na bázi 40nm technologie, tedy přesněji 40nm-class, což znamená konkrétně 42nm výrobu. Se 48vrstvými čipy přejde výroba na 30nm-class, takže lze předpokládat, že životnost zápisu dat půjde trochu dolů. Nicméně stále jsme na hony daleko od 15/16nm technologie.

Nová technologie již přináší nové čipy, konkrétně 256Gb, tedy 32GB 3D V-NAND typu TLC. Jednotlivé die jsou propojeny stejným způsobem, skrze 1,8 miliardy spojů, které mezi nimi prochází. Díky přechodu na menší nanometry dochází k poklesu spotřeby o 30 % oproti předchozí generaci a čipy jsou o 40 % menší.

Tyto čipy, resp. obecně 48vrstvé „30nm“ 3D V-NAND čipy Samsung nalezneme v budoucnu ve všech druzích produktů, od maličkých microSDHC/XC kartiček přes spotřebitelská SSD či interní flash úložiště ve smartphonech až po enteprisová SSD s PCI Express / NVM Express / SAS podporou.

A za rok či dva, kdo ví, Samsung třeba přijde se 64vrstvými NAND flash čipy.

Seriál Hardwarové novinky (dílů: 440)

První díl: Hardwarové novinky 36/2008 (procesory), poslední díl: HW novinky: podzimní přehled #2.
Předchozí díl: HW novinky: Skylake je výrazně chladnější po přepastování
Následující díl: HW novinky: GeForce GTX 950 budí rozporuplné reakce

Diskuse k tomuto článku

[Josef Kufner]

Vzhledem k tomu, ze se stejnak vždy ukládá minimálně celý byte najednou, tak při čtyřech bitech na buňku se budou přepisovat vždy alespoň dvě buňky najednou. Takže počet přepisů bude stejný jako u starších technologií.

[lertimir]

Navíc delete block je 512k buňek.

[lertimir]

Nebo řečeno ještě jinak: pokud má SSD řekněme 1000 garantovaných přepisů dat, než se jeho NAND flash buňky zničí, pak s SLC můžeme přepsat jeho obsah tisíckrát. U MLC je ten nejhorší možný scénář (kdy se VŽDY, při každém zápisu mění stav buňky - tento scénář téměř nikdy nenastává, jde o nejhorší teoreticky existující možnost a řadiče MLC / TLC / QLC používají čím dál sofistikovanější techniky aby to kompenzovaly) odpovídající 500 celkových přepisů, u TLC jsme na 250 a u QLC na 125 přepisech.

A tento výpočet je odkud. Vždy jsem si myslel, že garantovaný přepis dat znamená počet provaděných delete operací, po nichž je ještě možné provést spolehlivý zápis. Ta delete operace je stejně tak jedna ať je v buňce kolik chce bitů. A je také jasné, že při více bitech je třeba přesnější a spolehlivější změření náboje a tím větší chybovost, ale nacpat tam linearitu mezi počtem bitů v buňce a reciproční hodnotou počtu převisů je velmi odvážné tvrzení.

[TT]

Mno zkusíme to přes statistiku a pravděpodobnost. Po delete operaci máte buňky inicilizované na stejnou hodnotu (myslím, že 0). Pokud zapisuji blok dat měním náboj (tj. přepisuji) jen buňky s neodpovídající hodnotou. Tedy u SLC je 50% šance že ji budu přepisovat u MLC je to už 75% (3 stavy ze 4) u TLC (7 z 8) atd. Tj. i kdyby SLC a MLC bunkě měly obě fyzicky 1000 přepisů u MLC se statisticky vyčerpá dříve. Tj. celkový počet přepisů bloku! jako takového je nižší. O kolik nižší závisí na více faktorech tj. můžeme diskutovat kolikrát :) článek nabízí nejhorší scénář. Jinak ještě poznámka - podle wiki je jak u NAND tak NOR buňka čitelná i programovatelná/přepisovatelná individuálně. Proč se tak děje v blocích asi nejlépe tady https://en.wikipedia.org/wiki/Flash_memory

Ještě vysvětlivka "přepis" = změna stavu buňky.

[Jendа]

myslím, že 0

1

Ještě vysvětlivka "přepis" = změna stavu buňky.

Jenže vynulování typicky nevadí, destruktivní je erase cyklus (celý erase blok se zaplaví vysokým napětím, až elektrony dotečou do všech buněk).

[trekker.dk]

Jinak řečeno po složité úvaze a výpočtu jsme se podívali do wikipedia a dospěli k tomu, že se přepisují všechny bity...?

[TT]

K vašim odpovědím

Counter-intuitively, placing electrons on the FG sets the transistor to the logical "0" state. - ale je pravda, že na HDD se vždy inicilizovalo na "1" tak nevím jak to je.

K přepisu bloku v sekci Floating-gate transistor je napsáno princip přepisu a změny stavu - a právě změna stavu způsobuje postupné "opotřebení", pokud tedy po erase stavu zapisuji tak se zapisují tj. MĚNÍ pouze určité buňky dle zapisované hodnoty i když je adresován celý blok...

btw doporučuji sekci Memory wear o možnosti zvýšení počtu přepisů - ale jak píšou to asi do výroby nedorazí.

[trekker.dk]

pokud tedy po erase stavu zapisuji tak se zapisují tj. MĚNÍ pouze určité buňky dle zapisované hodnoty

No to jasně, jenže jak už psal Jenda nahoře, to opotřebení způsobuje výmaz, zápis už tak moc ne.

[lertimir]

Jenže ten článek na wiki je divný. Kombinuje velmi kvalitní popisy základních principů, mnohdy spíše zastaralé informace a interpretace novějších situací, které z prvního pohledu vypadají nesmyslně. Z mého pohledu to byl velmi kvalitně napsaný článek tak před 5 možná 4 lety, ale autoři se o rozšiřování nestarali a dále přispívají neumětelové. Konkrétně:

1. In a multi-level cell device, which stores more than one bit per cell, the amount of current flow is sensed (rather than simply its presence or absence), in order to determine more precisely the level of charge on the FG. Je nesmysl. Jednak měření proudu se dělá dost obtížně, za druhé MOSFET jsou konstruovány strmou změnu proudu s napětím, takže při nějakém napětí na CG proud ještě neprochází a při vyšším už ano. Za třetí jakékoliv přechodové stavy jsou zdroj ztrátového tepelného výkonu na čipu. Přechod má být buď uzavřený (odpor blízký nekonečnu a žádný proud) nebo otevřený (odpor blizký nule a žádné napětí na přechodu). Multi level cells se měří několika měřícími napětími viz
2. V části Memory Wear jsou jasně staré informace. Cesta jíž šel průmysl vůbec nebyla cestou snižování opotřebení, nýbrž právě naopak, nic z toho nepodchycují a o to právě jde. Neco jsem našel v článku s NASA ale moc nové to také není.
3. I to předchozí vysvětlení, které se zabývalo dynamikou jednoho bitu je chybné. Pokud bychom měli limit 1000 přepisů tak TLC buňka toho dosáhne statisticky při 8/7*1000=1142 7 krát z 8 zápisů musela se mazat, u MLC 4/3*1000=1333, 3 krát z 4 zápisů se musela mazat, a u SLC 2000 mazal se každý druhý zápis. Takže i na urovni bitu je to blbě. Ale podstatné to není na úrovni bitu, nýbrž na úrovni erase bloku. Tedy otázka je kolikrát je možné provést erase na celém bloku s tím, že počet jednotlivých bitů, které přesáhnou limitní počet přepisu bude menší, než je velikost samoopravných kódů a z bloku bude tím pádem možné ještě dostat spolehlivou informaci. A to rozhodně není lineární závislost. Ale zatím čas na to provést tento pravděpodobnostní výpočet nemám.

[lertimir]

Aj NASA byl jiný článek.

[Mti.]

No hlavne mam pocit, ze tim, ze je u SLC mnohem vice mista mezi jednotlivymi urovnemi dat (vzdalenost meni 0 a 1), tak to snese mnohem vice sumu/opotrebeni. Na ulozeni 3 bitu do 1 bunky uz je na 1 bit "jen" 12% misto 50% rozsahu (nepocitam zakazane pasma, ktere tam taky asi budou), takze na postupne zdechajici bunce uz je "driv" problem udrzet (po dobu pouzitelnosti zarizeni) stabilni hodnotu... proto, predpokladam, je omezeny pocet prepisu, pri nichz jde blok postupne do haje.

[lertimir]

Jasně. A i když snižující se bariéru budou kompenzovat, tak se jim to bude rozpadat rychleji. Jen jsem kritizoval naprosto pitomou nepřímou úměrnost. Tak to proste není.

[TT]

No pokud řekneš kravaťákovi (marketing), že se něco po... tak si vybere nejhorší variantu, aby mu to pak někdo nemohl příšít jako odpovědnost. Ale zase na druhou stranu aspoň víme co se může stát a kdy :) A pro mne upřímně zvyšování počtu bitů na buňku má stejnou perspektivu jako helium v HDD...

[Jendа]

Ach jo. A to jsem se těšil že se zbavím problémů se spolehlivostí vyloučením mechanických faktorů.

Co ale naprosto nechápu je, že se dá koupit 4GB TLC SD karta nebo flashdisk za 90 korun, ale nedá se koupit 1,5GB SLC karta/flashdisk za tutéž cenu (logicky, 1 bit v buňce místo 3, třetinová kapacita ve stejném čipu). Mně by nižší kapacita bohatě stačila, výměnou za to, že to nechcípne když se na to škaredě podívám. Totéž se SSDčky.

[Kvakor]

Prodávají se SLC CF karty pro průmyslové využití (ve velikostech 512Mb-2GB). S pomocí CF/SATA redukce by z toho šel udělat i SSD disk, i když rychlost a IOPS nebude nic mpc (zařízení, pro která se to vyrábí, jso většinou celkem pomalá).

[mps]

IOPS na CFkarte tejto velkosti, ale celkovo akakolvek tychto flashiek (CF,SD) je priam strasna. Je radovo horsia ako stary 1.8" HDD :(

[lertimir]

Souhlas. před časem jsem použil malou USB flash na systémový disk domácího serveru, (samozřejmě jsem zrušil atime, nicméně při aktualizaci balíčků padala rychlost na 500-900kB/s. karty na tom nejsou lépe.

[vlk]

lacne flash disky a karty maju mizerne IOPS, takze ak chces dobry vykon, tak to ide aj s tym, ale chce siahnut hlbsie do kapsy

[Jirka]

Pro read only / v kombinaci s ramdiskem pro /var a /tmp a klasickým HDD pro uživatelská data to může bejt použitelný a cenově zajímavý.