حافظه فلش NAND : چگونه یک مورد مناسب را انتخاب کنیم؟

در سال 1991 به مصرف کنندگان معرفی شد و درایوهای حالت جامد (SSD) از زمان اولین مدل های ابتدایی ، دستخوش پیشرفت و ارتقاء شده اند. امروزه ، SSD ها خود را به عنوان ابزارهای ارزشمند ذخیره سازی داده ها ، معرفی کرده اند. SSD امروزی به طور کلی از حافظه فلش NAND برای ارائه یک راه حل مدیریت داده بسیار غیر قابل اعتماد و غیر فرار استفاده می کند.

در سال های اولیه دهه 2020 ، سهم بازار SSD توسط دو گزینه رقیب: TLC و QLC به شدت مورد هجمه قرار می گیرد. هر دوی اینها انواع حافظه فلش NAND هستند. فهمیدن اینکه کدام گزینه برای نیازهای خاص شما مناسب است لزوماً یک کار ساده نیست. این تا حد زیادی به نیازهای عملیاتی منحصر به فرد شما بستگی دارد!

ویژگی های SSD :

در حالی که انواع مختلفی از گزینه ها در خانواده درایوهای حالت جامد وجود دارد ، SSD ها خود جایگزینی برای فناوری بسیار قدیمی تر دیسک سخت (HDD) هستند که IBM در سال 1956 معرفی کرد. هر دو از حافظه ذخیره سازی غیر فرار استفاده می کنند. با این حال ، SSD ، که داده ها را در مجموعه ای از مدار مجتمع ذخیره می کند ، از جهات قابل توجهی نسبت به  HDD که به ذخیره سازی مغناطیسی متکی است ، متفاوت است. این اختلافات شامل موارد زیر است:

سرعت :

در مقایسه با درایوهای دیسک سخت ، SSD ها بطور قابل توجهی سریعتر هستند و زمان بوت شدن آنها کوتاه تر است. آنها همچنین در سرعت اجرای برنامه ها و انتقال پرونده ها از HDD ها پیشی می گیرند که این مزیت سرعت برای طیف گسترده ای از برنامه های تجاری نیز مفید است.

قابلیت اطمینان :

SSD ها برخلاف HDD دارای قطعات متحرک نیستند. در نتیجه ، SSD کمتر از نظر جسمی آسیب می بیند (به عنوان مثال.، انداختن آن روی زمین). علاوه بر این ، SSD ها در برابر درجه حرارت بسیار گرم یا سرد مقاوم تر هستند.

تولید نویز:

در حالی که HDD ها اغلب در حین کار می توانند ارتعاشات آزار دهنده ایجاد کنند ، SSD ها بی صدا کار می کنند.

مصرف انرژی:

SSD ها در مقایسه با HDD ها به انرژی کمتری نیاز دارند.

قیمت:

SSD ها گران تر هستند.

ظرفیت ذخیره سازی:

HDD ها می توانند تا 18TB حافظه (و گاهی اوقات بیشتر) را کنترل کنند ، در حالی که SSD ها به ندرت با ظرفیت بیش از 4TB یافت می شوند.

اگرچه HDD راه حل سنتی ذخیره سازی داده های الکترونیکی برای مشاغل بوده است ، اما SSD در سالهای اخیر شاهد افزایش محبوبیت بوده است. هیچ رازی وجود ندارد ! برای اکثر اهداف ، SSD به وضوح از HDD برتر است. دو گزینه — HDD و SSD — هر دو قهرمانان خود را دارند ، اما اجتناب ناپذیر است که درایوهای حالت جامد از رقیب خود در بازار پیشی بگیرند.

 :NAND Flash Storage

درایوهای حالت جامد اولیه از DRAM (حافظه دسترسی تصادفی پویا) استفاده می کردند ، اما امروزه بیشتر SSD ها به حافظه فلش NAND مجهز هستند. NAND ، بر خلاف DRAM ، یک نوع حافظه غیر فرار (NVM- nonvolatile memory) است و به همین دلیل گزینه های عملکرد گسترده ای را ارائه می دهد زیرا می تواند داده ها را حتی پس از خاموش شدن برق حفظ کند. این علاوه بر هزینه نسبتاً کم ، تا حد زیادی ترجیح امروزی حافظه فلش NAND را در درایوهای حالت جامد توضیح می دهد ، حتی اگر DRAM دسترسی سریع تری به داده ها داشته باشد. با این حال ، SSD با حافظه فلش اغلب از حافظه DRAM به عنوان حافظه پنهان موقت استفاده می کنند.

حافظه فلش NAND از سلولهای حافظه برای نوشتن داده ها استفاده می کند. انواع مختلفی از سلولهای حافظه وجود دارد که با توجه به تعداد بیت هایی که هر سلول می تواند ذخیره کند طبقه بندی می شوند. در حال حاضر ، چهار نسل از حافظه فلش NAND وجود دارد:

سلول تک سطحی (SLC- Single level cell) – یک بیت در هر سلول نگه می دارد.

سلول چند سطحی (MLC- Multi Level Cell ) – دو بیت در هر سلول نگه می دارد. دارای 2 برابر ظرفیت بیشتر از حافظه SLC است.

سلول سطح سه گانه (TLC- Triple level cell) – سه بیت در هر سلول نگه می دارد. دارای 1.5 برابر ظرفیت بیشتر از حافظه MLC است.

سلول چهار سطح (QLC- Quad level cell) – چهار بیت در هر سلول نگه می دارد. دارای 1.3 برابر ظرفیت بیشتر از حافظه TLC است.

(SLC) Single Level Cell :

در SLC Flash ، هر سلول حافظه فقط یک بیت اطلاعات را ذخیره می کند: یا منطق 0 یا منطق 1. ولتاژ آستانه سلول در برابر سطح ولتاژ واحد مقایسه می شود و اگر ولتاژ بالاتر از سطح باشد 1 و اگر زیر منطق 1 باشد ، بیت به عنوان منطق 0 در نظر گرفته می شود.

شکل 1: ولتاژ در یک سلول فلش SLC در برابر ولتاژ آستانه مقایسه می شود تا مشخص شود آیا این یک منطق 0 (بالاتر از آستانه) یا منطق 1 (زیر آستانه) است.

از آنجا که فقط دو سطح وجود دارد ، حاشیه ولتاژ بین دو سطح می تواند بسیار بالا باشد. این باعث می شود خواندن سلول آسان تر و سریع تر شود. نرخ خطای بیت خام (RBER- Raw Bit Error Rate) نیز به دلیل تأثیر کمتر هرگونه نشت یا اختلال در حین انجام عملیات خواندن به دلیل حاشیه ولتاژ بزرگتر ، کم است. یک RBER کم همچنین تعداد بیت های ECC مورد نیاز برای یک بلوک داده را کاهش می دهد.

یکی دیگر از مزایای حاشیه ولتاژ بزرگ این است که اثر سایش نسبتاً کمتر است زیرا نشت جزئی از بارها تأثیر نسبتاً کمتری خواهد داشت. توزیع گسترده تر برای هر سطح منطق به سلول ها کمک می کند تا با ولتاژهای پایین تر برنامه ریزی یا پاک شوند ، که باعث افزایش استقامت سلول می شود و به نوبه خود تعداد چرخه های P / E را افزایش می دهد.

یک نقطه ضعف هزینه بالاتر برای هر سلول در مقایسه با انواع دیگر Flash است که داده های بیشتری را در همان بخش قالب ذخیره می کند. SLC Flash اغلب در برنامه هایی استفاده می شود که از نظر هزینه حساس نیستند و به قابلیت اطمینان و دوام بالایی نیاز دارند ، مانند برنامه های صنعتی و سازمانی با تعداد زیادی چرخه P / E مورد نیاز.

Multi Level Cell (MLC) :

در MLC Flash ، هر سلول حافظه دو بیت اطلاعات را ذخیره می کند ، یعنی  00 ، 01 ، 10 و 11. ولتاژ آستانه در این حالت در برابر سه سطح مقایسه می شود (در کل 4 باند ولتاژ).

شکل 2: ولتاژ در یک سلول فلش MLC در برابر سه ولتاژ آستانه مقایسه می شود تا مقدار دو بیتی منطقی آن تعیین شود.

با مقایسه سطح بیشتر ، عملیات خواندن باید دقیق تر باشد و خواندن آن در مقایسه با SLC Flash کندتر است. نرخ خطای بیت خام (RBER) نیز به دلیل حاشیه ولتاژ پایین تر، نسبتاً بالاتر است و بیت های ECC بیشتری برای یک بلوک داده مورد نیاز است. تأثیر سایش در حال حاضر قابل توجه تر است زیرا هرگونه نشت بار در مقایسه با SLC Flash تأثیر نسبی بیشتری خواهد داشت و به نوبه خود تعداد چرخه های P / E عمر را کاهش می دهد.

عملکرد برنامه نیز بسیار کندتر است زیرا برنامه نویسی باید با دقت انجام شود تا شارژ مورد نیاز برای هر سطح منطق ذخیره شود. مزیت اصلی هزینه کمتر در هر بیت است که 2 تا 4 برابر کمتر از SLC Flash است. MLC Flash اغلب در برنامه های حساس به هزینه بیشتر مانند لوازم الکترونیکی مصرفی یا سیستم های بازی استفاده می شود که عملکرد ، قابلیت اطمینان و دوام آنقدر مهم نیستند و تعداد چرخه های P / E طول عمر مورد نیاز نسبتاً کم است.

Enterprise Multi Level Cell (eMLC)  :

برای به دست آوردن مزایای هزینه کمتر ، تولید کنندگان Flash درجه بهینه ای از MLC Flash را با قابلیت اطمینان و دوام بالاتر با نام eMLC ایجاد کرده اند. چگالی داده ها اغلب در eMLC کاهش می یابد ، که حاشیه ولتاژ بهتری را برای بهبود قابلیت اطمینان فراهم می کند. چرخه های پاک کردن و برنامه های آهسته تر به طور کلی برای کاهش تأثیر سایش و بهبود دوام استفاده می شود. بسیاری از تکنیک های دیگر برای بهبود قابلیت اطمینان و دوام در eMLC وجود دارد که از یک تولید کننده به دیگری متفاوت است.

Triple Level Cell (TLC) :

در TLC Flash ، هر سلول حافظه 3 بیت اطلاعات را ذخیره می کند. ولتاژ آستانه در حال حاضر در برابر هفت سطح (کل باند 8 ولتاژ) مقایسه شده است.

شکل 3: ولتاژ موجود در یک سلول فلش TLC در برابر هفت ولتاژ آستانه مقایسه می شود تا مقدار سه بیتی منطقی آن تعیین شود.

با مقایسه سطح بسیار بیشتری ، عملیات خواندن باید بسیار دقیق باشد و در مقایسه با SLC Flash کند است. نرخ خطای بیت خام (RBER) نیز زیاد است ، و نیاز به بیت های حتی بیشتر ECC را برای یک بلوک داده افزایش می دهد. اثر سایش نیز تقویت می شود و تعداد چرخه های P / E در طول عمر را به شدت کاهش می دهد. عملکرد برنامه نیز کندتر است زیرا ولتاژ باید دقیق باشد تا بار را در پنجره دقیق تر مورد نیاز برای هر سطح منطق ذخیره کند.

مزیت اصلی کمترین هزینه در هر بیت است که در مقایسه با SLC یا MLC بسیار پایین تر است. TLC Flash در برنامه های بسیار حساس با هزینه و نیاز کمتری به چرخه P / E با طول عمر بالا مانند برنامه های مصرف کننده استفاده می شود.

محدودیت های حافظه فلش:

اولین محدودیت این است که ذخیره سازی فلش به طور کلی گران تر از دیسک های سخت با همان ظرفیت است. اگرچه قیمت SSD طی یک دهه گذشته به طرز حیرت انگیزی کاهش یافته است ، اما بخشی از آن به لطف افزایش راندمان تولید با سربار کمتر و رشد انفجاری در تقاضا ، هنوز نیاز مستمر برای کاهش هزینه برای هر گیگابایت فلش ذخیره سازی وجود دارد.

مسئله دوم این است که حافظه فلش طول عمر محدودی دارد. دارای درجه بندی در چرخه های P / E (برنامه-پاک کردن) ، هر سلول در SSD فقط می تواند برای تعداد معینی از زمان نوشته شود قبل از اینکه دیگر بار الکتریکی نداشته باشد. در حال حاضر هیچ راهی برای جلوگیری کامل از این مشکل با هر نوع حافظه فلش وجود ندارد.

SLC و MLC :

در مواجهه با این مسائل ، مهندسان با استفاده از افزایش بیت داده هایی که هر سلول می تواند در اختیار داشته باشد ، راهی هوشمندانه برای به دست آوردن ظرفیت ذخیره بیشتر داده ها از همان مقدار فلاش NAND در SSD ارائه داده اند. نکته منفی این است که هر سلول، داده های بیشتری را در اختیار دارد که منجر به کاهش استقامت درایو می شود و تعداد چرخه های P / E را در SSD کاهش می دهد.

NAND Flash که فقط می تواند یک بیت داده را در هر سلول نگه دارد ، با دو مقدار باینری – 0 یا 1 – SLC نامیده می شود. اما این NAND به ازای هر گیگابایت آنقدر پرهزینه است که SSD های SLC بسیار گران قیمت هستند و برای استفاده در رایانه های شخصی و لپ تاپ های مصرفی مناسب نیستند. اما SLC NAND با حداکثر 100000 چرخه P / E بهترین استقامت ممکن را ارائه می دهد.

MLC NAND از دو بیت داده در هر سلول استفاده می کند و دارای 4 مقدار باینری ممکن است. هنگامی که SSD ها حدود یک دهه قبل شروع به کار کردند ، این به لطف فلش MLC NAND بود که به ظرفیت های SSD که در یک دسکتاپ استاندارد یا رایانه لپ تاپ مفید هستند ، در نهایت مقرون به صرفه می شود. اما افزایش ظرفیت ذخیره سازی ، استقامت SSD را به 10،000 چرخه P / E کاهش می دهد.

اگرچه این کاهش طول عمر به نظر می رسد که MLC SSD را از بین ببرید ، مگر اینکه مرتباً به آن بنویسید.

:TLC NAND

مفهوم MLC بسیار موفق بوده است ، حرکت آشکار بعدی استفاده از بیت های بیشتر داده در هر سلول است. TLC NAND Flash از سه بیت در هر سلول برای 8 مقدار باینری ممکن استفاده می کند و باعث بهبود ظرفیت / کاهش هزینه دیگر می شود. این فناوری به SSD ها کمک کرده است تا به عنوان اصلی ، مقرون به صرفه برای استفاده در هر رایانه ای در سطح ظرفیت که برای اکثر برنامه ها مفید است ، تبدیل شوند.

از سال 2021 ، TLC به فناوری غالب در کلیه SSD های مصرف کننده تبدیل شده است ، که در درایوهای با کارایی بالا در نظر گرفته شده برای سرورها ، رایانه های شخصی بازی ها و حتی پر مخاطب ترین محاسبات سمت مشتری و همچنین SSD های سطح ورودی مقرون به صرفه تر با هدف استفاده عمومی تر. اما با استفاده از فناوری TLC ، استقامت بیشتر کاهش می یابد و فقط به 3000 چرخه P / E می رسد. این ممکن است مانند یک کاهش نگران کننده به نظر برسد ، اما حتی با کاهش استقامت ، یک کاربر متوسط متوجه تفاوت بین MLC و TLC نمی شود.

اکثر برنامه های نرم افزاری بیشتر از نوشتن آن ، وقت بیشتری را برای خواندن داده ها از دیسک می گذرانند. وظایف اصلی محاسباتی مانند مرور وب ، پردازش ایمیل و کلمه به سختی می توانند داده ها را روی دیسک بنویسند. بازی ها و برنامه ها معمولاً فقط یک بار نصب می شوند و دیگر هرگز داده های زیادی را دوباره نمی نویسند. حتی کارهای سطح بالا که شامل دستکاری پرونده های عظیم مانند ویرایش ویدیو و طراحی گرافیک است ، تمام روز را صرف نوشتن پرونده های بزرگ نمی کند.

تقریباً در مورد همه افراد ، TLCیک انتخاب عالی است ، با استاندارد بالایی عمل می کند و هزینه بسیار کمتری نسبت به درایو MLC با کیفیت بالا دارد. اکنون جایگزین MLC به عنوان فناوری غالب SSD شده است.

 :QLC NAND

مرحله بعدی در فناوری QLC است. چهار لایه بیت در هر سلول ، برای 16 مقدار باینری! این افزایش حیرت انگیز ظرفیت و کاهش هزینه را فراهم می آورد. همچنین به معنای کاهش استقامت ، فقط به 1000 چرخه P / E است. QLC مقرون به صرفه ترین فناوری NAND است و SSD های QLC ارزان ترین درایوهایی هستند که می توانید خریداری کنید. با وجود کاهش بیشتر استقامت ، SSD های QLC در حال تبدیل شدن به جریان اصلی هستند.

امروز ، بازار تحت سلطه TLC و QLC است. به نظر می رسد QLC با 1.3 برابر ظرفیت ذخیره سازی TLC مورد علاقه اصلی در این مسابقه خاص است. در واقعیت ، این خیلی ساده نیست. درایو حالت جامد TLC دارای مزایای مهمی است که توسط یک مدل QLC به اشتراک گذاشته نمی شود و بالعکس. در نتیجه ، TLC علیرغم ظهور QLC جدیدتر ، رایج ترین نوع حافظه فلش NAND است.

مزایای حافظه TLC:

دستگاه های TLC می توانند تعدادی از مزایای استفاده از دستگاه های QLC را ارائه دهند ، اما به موارد زیر محدود نمی شوند:

سرعت: به طور کلی ، TLC بیشتر وظایف را سریعتر از QLC انجام می دهد .

دوام: در مقایسه با حافظه QLC ، TLC باید چرخه های برنامه / پاک کردن کمتری را پشت سر بگذارد ، دقیقاً به این دلیل که در هر سلول تعداد بیت کمتری ذخیره می شود. این می تواند یک مسئله جدی باشد زیرا یکی از نقاط ضعف ذاتی حافظه مبتنی بر فلش ، امکان آسیب دیدن به دروازه های شناور  (floating gate)است و باعث سایش زودرس سلول های NAND می شود. اگرچه روش هایی برای کاهش آسیب های ناشی از این پدیده وجود دارد – از جمله تراز کردن سایش و بافر داده ها – انتظار می رود TLC بیشتر از QLC عمر کند.

مزایای حافظه QLC :

ظرفیت ذخیره سازی: بارزترین مزیت QLC ظرفیت بیشتر آن برای ذخیره داده ها است: 1.3 برابر مقدار اطلاعات نسبت به TLC.

مناسب برای بارهای زیاد خواندن: QLC برای برنامه های پر مخاطب که داده ها فقط یک بار نوشته می شوند مناسب است.

قیمت: اطلاعات بیشتر در هر سلول به معنای هزینه های پایین تر برای هر گیگابایت است. به همین دلیل است که SSD های QLC نسبت به همتایان TLC خود ارزان تر هستند ، که به نوبه خود ارزان تر از مدل های SLC و MLC هستند.

این نادرست است که QLC یا TLC را به طور واضح “بهتر” از گزینه دیگر تلفظ کنید ، زیرا هر یک از نقاط قوت و ضعف نسبی برخوردار هستند که تأثیرات عملکرد آنها بسته به نوع محیط کاری که در آن استفاده می شود متفاوت است. با این وجود ، برای برنامه های کاربردی سازمانی ، درایوهای حالت جامد TLC معمولاً بهترین ترکیب موجود از سرعت ، قابلیت اطمینان و عملکرد را با قیمت مناسب ارائه می دهند.

:D3Nand

تمام مشخصات مختلف فلش که در بالا مورد بحث قرار گرفته است دو بعدی هستند ، به این معنی که سلولهای حافظه فقط در صفحه X-Y چیده می شوند. با استفاده از فناوری 2D Flash ، تنها راه دستیابی به تراکم بیشتر، کوچک کردن روند لیتوگرافی است. نکته منفی این است که خطاها در NAND Flash با گره های لیتوگرافی کوچکتر بیشتر است. علاوه بر این ، در حداقل گره لیتوگرافی محدودیتی وجود دارد که قابل استفاده است.

برای افزایش تراکم حافظه ، تولید کنندگان فناوری 3DNAND یا V-NAND (vertical NAND) را توسعه داده اند که سلول های حافظه را در صفحه Z جمع می کند. این روش باعث دستیابی به چگالی بیت زیاد برای همان منطقه کمک می کند. در فلش 3DNAND ، سلولهای حافظه به عنوان رشته های عمودی بر خلاف رشته های افقی در NAND 2D متصل می شوند.

اولین محصولات فلش سه بعدی دارای 24 لایه بودند. با پیشرفت این فناوری ، فلش 32- ، 48- ، 64- و حتی 96 لایه 3D ساخته شده اند. مزیت فلش سه بعدی تعداد قابل توجهی بیشتر از سلولهای حافظه در همان منطقه است. این همچنین تولید کنندگان را قادر می سازد از فرآیندهای لیتوگرافی بزرگتر برای ساخت فلش قابل اطمینان تر استفاده کنند.

“تذکر: استفاده از این محتوا با ذکر منبع بلامانع است.”