Что лучше

Типы NAND флэш-памяти: SLC, MLC и TLC

Исходя из устройства твердотельного жесткого диска (в нем нет вращающихся магнитных дсков, как в HDD, например), видно, что его скорость работы и вообще, сам факт его работы — напрямую зависят от двух параметров: модели контроллера и разновидности чипов NAND памяти. Причем, даже два разных накопителя могут содержать в себе один и тот же контроллер, но, при этом, скорость работы их будет отличаться (все зависит от прошивки). Контроллер условно делит всю память на ячейки, в которые потом будет записываться информация.

И вот тут-то как раз и заключаются фундаментальные отличия различных типов памяти SSD

То есть, не важно — какая модель памяти используется в самом накопителе, контроллер в любом случае должен сначала поделить ее на так называемые ячейки. А вот сколько бит информации помещается в одну ячейку — определяет как раз тип NAND памяти

В настоящее время применяется всего три разновидности: SLC, MLC, TLC (как разновидность MLC).

SLC

SLC (Single Level Cell) — позволяет сохранять в одну ячейку только 1 бит информации — ноль или единица. Это самый дорогой вид NAND-микросхем. Дороговизна определяется сложностью в производстве таких накопителей. Кроме цены, к недостаткам еще можно отнести низкую емкость — порядка 60 Гб, например.

Однако, такой накопитель будет быстрее и надежнее всех других, за счет того, что ячейка будет перезаписываться намного реже, что, как известно, существенно продлевает ресурс самого устройства. До 100 000 раз можно перезаписывать одну ячейку, по уверениям производителей. Кроме того, технология SLC обеспечивает наибольшую скорость чтения/записи информации, и такие накопители самые быстрые.

На данный момент рынок SLC-решений сформирован крайне слабо. До недавнего времени одним из известных таких накопителей был Intel X25-E, который имел емкость всего лишь 64 Гб. Стоил он порядка 20000 рублей — что крайне дорого, ведь за эти же самые деньги можно с легкостью купить SSD диск емкостью около 1 терабайта (1000 Гб), правда — с MLC памятью.

MLC (Multi-Level Cell) — многоуровневая ячейка, позволяет записывать сразу два бита информации, что теоретически снижает ее ресурс ровно вдвое. Однако, по факту ресурс MLC SSD диска еще ниже. Изначально накопители предлагали до 10000 циклов перезаписи, затем этот показатель упал до 5000, а затем стал таким, как указано в таблице.

Тем не менее, на сегодняшний день является самым распространенным типом памяти на рыке твердотельных накопителей. Моделей такого типа просто огромное количество, их емкость уже существенно выше, чем у SLC моделей, и может достигать до 1 Тб и даже выше. Кроме того, цена MLC-накопителей той же емкости будет существенно ниже, чем в случае с SLC. Как видно из таблицы, быстродействие MLC тоже несколько хуже.

Существует еще подвид MLC — eMLC (enterprise MLC), из достоинств: увеличенный срок службы чипов, за счет большего количества возможных циклов записи/перезаписи. Мало кто знает, но у компании Samsung, например, имеется уникальная технология под названием «3D V-NAND», которая позволяет разместить ячейки вертикально, значительно расширяя объем памяти без удорожания производства.

Не то что бы это реклама компании Samsung, но это весомый плюс при выборе в пользу накопителей именно этой марки.

TLC (Triple Level Cell) — угадайте, сколько бит информации может хранить такая TLC-ячейка? Все правильно, целых три. То есть, как вы уже поняли, все эти сокращения говорят нам о плотности хранения информации в NAND-чипах. Получается, самая «экономная» память будет именно TLC. Похожие (TLC) чипы применяются во флешках, где срок службы (количество циклов перезаписи) не является столь важным параметром. Кроме того, технология TLC очень дешева в производстве.

Я бы порекомендовал использовать TLC — как жесткий диск (не путать с HDD диском) для установки на него игр, например. А что, скорость чтения с него будет в разы выше, чем даже у самого быстрого HDD, а стоимость TLC твердотельных накопителей самая низкая из всех, на сегодняшний день (но все равно дороже, чем HDD). А для установки ОС лучше использовать накопитель с MLC, так как она более надежная и долговечная, нежели TLC.

Почему количество циклов перезаписи NAND ограничено

Со временем электрическая активность изнашивает физическую структуру ячейки, уменьшая микроскопический слой оксида. Его толщина <10nm, т.е. как минимум в 3000 раз тоньше человеческого волоса!

Кристаллы Micron 16nm MLC NAND

Поскольку слой оксида истончается, электроны могут в нем застревать, накапливая отрицательный заряд, играющий против поданного напряжения. Как следствие, приходится подавать более высокое напряжение, прежде чем найдется правильное. Это, в свою очередь, делает оксид еще тоньше.

Между тем, толщина слоя оксида неизбежно снижается с уменьшением размера кристалла при переходе на меньшие узлы техпроцесса (например, 25 → 20 → 16nm), что только усугубляет проблему выносливости NAND.

Однако выносливость NAND зависит не только от геометрии кристалла, но еще и от количества битов, хранящихся в ячейке.

Твердотельные накопители Quad-Level Cell (QLC)

Intel 660p был первым потребительским QLC SSD, выпущенным в 2018 году. 

Приводы с четырёхуровневой ячейкой (QLC) могут записывать четыре бита на ячейку. Теперь вы видите закономерность в названии?

QLC NAND может упаковывать гораздо больше данных, чем другие типы, но прямо сейчас это сильно сказывается на производительности дисков QLC. Это особенно актуально, когда кэш заканчивается во время передачи больших файлов (40 ГБ или больше). Это может быть краткосрочной проблемой, поскольку производители пытаются оптимизировать QLC.

Однако прочность также вызывает беспокойство. Накопитель Crucial P1 QLC NVMe бюджетного уровня имеет рейтинг только 100 TBW для модели на 500 ГБ и только 200 TBW для 1 ТБ. Это большая разница по сравнению с TLC, но все же достаточно для домашнего использования.

Оценка производительности

Сравнение ревизий WD Blue SN550, проведенное Expreview при помощи утилиты TxBENCH показало, что их производительность практически не отличается при условии наличия свободного места в SLC-кэше. Средняя скорость записи на новый накопитель составила около 2160 МБ/сек. Однако при заполнении SLC-кэша данный показатель падал до 390 МБ/сек. Стоит отметить, что Expreview не опубликовал показатели предыдущей ревизии SSD при полностью заполненном SLC-кэше, но оценил просадку производительности на уровне 50%.

Киберучения: как отработать реагирование на атаки хакеров на полигоне
Безопасность

В собственном тесте Tom’s Hardware оригинальный WD Blue SN550 продемонстрировал скорость записи около 610 МБ/сек при копировании 100 ГБ информации, то есть в условиях, когда SLC-кэш оказывается исчерпан. Новая же версия накопителя в аналогичных обстоятельствах едва смогла обойти значительно более дешевую «младшую» модель WD Green SN350 на 960 ГБ.

Сравнение производительности новой ревизии накопителя WD Blue SN550 с другими SSD

Несмотря на весьма удручающие результаты проведенных тестов, рядовой владелец нового WD Blue SN550 может никогда и не заметить ухудшения характеристик устройства. В большинстве сценариев использования 12-гигабайтный SLC-кэш не будет заполняться до отказа, а значит и производительность SSD не пострадает. Однако пользователи, работающие с файлами большого объема, например, видео в формате 4K, скорее всего отметят медленную работу новой ревизии диска, считает Tom’s Hardware.

SLC (Single-level cell, одноуровневая ячейка) – флеш-память, каждая ячейка которой хранит один бит информации. Запись в такую ячейку происходит очень быстро по сравнению с MLC (Multi-level cell, многоуровневая ячейка), в которой может храниться сразу 2 бита, TLC – 3 бита, QLC – 4 бита.

На сегодняшний день наиболее широко применяются SSD на базе 3D NAND TLC, использование «объемных» ячеек позволяет добиться более высокой вместимости накопителя за счет некоторой экономии на производительности.

Потерю последней частично позволяет компенсировать использование SLC-кэша. Он может представлять собой сравнительно небольшую (несколько гигабайт) область на SSD, которую контроллер при записи данных использует в первую очередь, причем обращается к ней в SLC-режиме, то есть когда информация записывается быстро, но «неэкономно» – по одному биту на ячейку вместо, например, трех. Затем во время простоя контроллер может себе позволить переформатировать структуру хранимых данных, заполнив полупустые ячейки. SLC-кэш позволяет добиться хороших результатов при записи данных небольшими порциями.

Типы NAND флеш памяти используемой в SSD

В любом SSD используется NAND Flash память, которая организована в ячейки, а создана на полупроводниковой основе. Память в твердотельных накопителях производится по технологиям: MLC, TLC, QLC или SLC, которые отличаются между собой, по объему хранимой информации в отдельной ячейке. Различия составляют в увеличении на 1 бит, это 0.125 байт, для каждой новой технологии. Давайте рассмотрим более подробно.

SLC — тип памяти на данной основе наиболее надежен и долговечен. Каждая ячейка памяти, заполняется лишь 1 битом данных.

MLC — эта доработка памяти SLC, позволила хранить уже 2 бита данных, увеличивая емкость диска.

TLC — следующая ступень эволюции NAND флеш памяти, в ячейке хранится уже 3 bit информации.

QLC — твердотельные диски созданные по этому типу, уже способны хранить 4 бита данных.

Диски по технологии SLC не используется в домашних компьютерах. Для использования в домашнем ПК или ноутбуке, доступны только MLC и более новые разновидности.

Накопители SSD с памятью QLC

В 2018 году, увидели свет первые твердотельные диски с типом памяти QLC (Quad Level Cell). Они обладают более совершенной технологией записи в одну отдельную ячейку памяти, а именно 4 bit данных. Напомню, что тип памяти SLC обладает возможностью, записывать 1 bit (0.125 байт) информации в 1 ячейку, а MLC соответственно, 2 бита.

Вы спросите: Что привнесло данное новшество, конкретно для Вас? Отвечу: Новые технологии создания SSD, позволили получить более емкостные накопители, по более привлекательной цене. Это значит, быстрые диски стали более доступными.

Совет: важно понимать, что если вы владеете старой материнской платой, поддерживающей лишь устаревший SATA2 (3 Гбитс), скорость твердотельного диска будет существенно ниже заявленной в характеристиках. Сейчас все системные платы оснащаются разъемом SATA 3 (6 Гбитсек), что позволило достичь более высоких показателей скорости чтения и записи, от 500 Mbс и выше

Основные отличия от MLC и TLC:

• Уменьшенная стоимость каждого гигабайта — хорошо;
• Уменьшилась скорость записи — плохо;
• SSD накопители произведенные по типу QLC больше подвержены износу — плохо.

Эх, в начале, всегда так! Но технологии производства постоянно совершенствуются. И уже к середине 2019 или к 2020 года, SSD созданные по технологии QLC, начнут догонять MLC в скорости и станут еще надежнее, чем TLC.

Совет: более емкие твердотельные накопители имеют более высокий запас прочности (Износостойкость). Связано это с циклом перезаписи, чем большее количество раз происходит перезапись одного и того же блока, тем скорее он изнашивается.

Что лучше MLC или TLC

В общих чертах, тип памяти MLC имеет, на первый взгляд, ряд преимуществ над TLC. В первую очередь, это касается износостойкости и повышенной скоростью работы, в придачу с меньшим энергопотреблением. Но все зависит, от конкретного производителя, и текущего развития технологий.

Бывает так, что TLC обгоняет первую по всем пунктам, благодаря набору технологических усовершенствований, за исключением, возможно, износостойкости. Поэтому вместо однозначного ответа, что лучше TLC или MLC. Я порекомендую вам, перед совершением покупки, почитать комментарии и отзывы на модели дисков с этими типами NAND памяти.Только добавлю, что для хранения большого объема информации, нужен жесткий диск. А для установки операционной системы, например, Windows, лучше использовать быстрый SSD, чтобы все, как говорится, «летало».

Интерфейсы MLC NAND: ONFi и Toggle Mode

Сейчас на рынке преобладают накопители с памятью MLC, но и эта память делится на два типа в соответствии с используемым интерфейсом.

ONFi (Open NAND Flash Interface) – это альянс производителей флэш-памяти, выпускающейся по единому стандарту

Обратите внимание на присутствие там Intel и Micron, равно как и на отсутствие Samsung с Toshiba. Последняя пара выпускает память с интерфейсом Toggle Mode

Примечание. Пропускная способность указана для каждого канала NAND.

В начале 2013 года можно купить накопители с памятью ONFi 1.0 и 2.x, а также Toggle Mode 1.0.

Память MLC NAND: асинхронная ONFi 1.0 против синхронной ONFi 2.х

Несмотря на то, что память с пропускной способностью до 200MB/s выпускается уже какое-то время, Intel и Micron не спешат отказываться от выпуска более старой и медленной памяти. Дело в том, что она дешевле, и это позволяет производителям SSD позиционировать накопители в разные сегменты рынка.

Давайте возьмем для примера спецификации двух твердотельных накопителей Corsair в том виде, как они опубликованы на сайте.

Все числовые показатели у них практически идентичны, разве что первый на йоту побыстрее и потребляет побольше энергии. На сайте не указано, но у этих накопителей еще и одинаковый контроллер SandForce-2281 (на что также ).

В серии Vertex 4 используется синхронная память Intel Micron 25nm MLC, а в Agility 4 — асинхронная.

Память MLC NAND: 2.х

Буква “x” обобщает различные этапы второй версии спецификаций ONFi. В 2012 году большинство накопителей снабжалось памятью MLC, изготовленной в рамках технологического процесса 25nm по спецификациям ONFi 2.1.

Впрочем, в конце года на рынке появился накопитель Intel 335 с памятью Intel 20nm MLC NAND, что соответствовало уже спецификациям ONFi 2.3. Переход на новый технологический процесс не приносит дивидендов в быстродействии, поскольку пропускная способность интерфейса все так же ограничена 200MB/s.

В спецификации ONFi 2.3 заложена поддержка протокола EZ-NAND, призванного улучшить коррекцию ошибок (ECC), уровень которых растет по мере уменьшения размера ячеек памяти. Однако для этого в NAND должен быть встроен отдельный контроллер. В Intel 335 он отсутствует, поэтому данную модель можно считать «переходной».

Intel оценивает ее идентично 25nm NAND — в 3 000 циклов перезаписи. Гарантийный срок составляет 3 года, как и у Intel 330 при тех же объемах записи в 20GB в день.

Так или иначе, поскольку Intel и Micron переходят на 20nm процесс, логично ожидать в 2013 году появления накопителей с такой памятью под различными брендами.

Память MLC NAND 2.х: 3K против 5K

Этого вопроса я уже касался ранее, поэтому дополнительную информацию вы найдете по ссылкам в этом разделе статьи. Производитель NAND может по-разному оценивать срок службы флэш-памяти, даже когда она создана по одной технологии. Это хорошо видно на примере Intel 25nm MLC NAND, которую компания подразделяет по — 3 000 и 5 000.

Таким образом, гарантийный срок службы накопителя зависит от выносливости памяти, установленной в нем.

Память MLC NAND: Toggle Mode 2.0 против синхронной ONFi 2.x

Некоторые производители SSD ставят в разные линейки продуктов память с различными интерфейсами. Хорошим примером служит тот же Corsair, но теперь с серией Neutron (в таблице приведены характеристики быстродействия, заявленные производителем).

Как видите, при прочих равных память Toggle Mode на бумаге выглядит побыстрее ONFi 2.x в последовательной записи и случайном чтении. В принципе, бенчмарки это подтвердили, но все же посмотрите их самостоятельно (например, AnandTech 120Gb, 240Gb).

Другие термины SSD

Ранний пример флэш-памяти 3D NAND от Samsung.

Это основные типы флеш-памяти NAND, но вот ещё несколько терминов, которые могут вам помочь:

• 3D NAND: в какой-то момент производители NAND попытались разместить ячейки памяти NAND ближе друг к другу на плоской поверхности, чтобы уменьшить размеры дисков и увеличить ёмкость. До некоторой степени это работало, но флеш-память начинает терять свою надёжность, когда ячейки находятся слишком близко друг к другу. Чтобы обойти это, они сложили ячейки памяти друг на друга, чтобы увеличить ёмкость. Это обычно называется 3D NAND, а иногда и вертикальной NAND.
• Технология выравнивания износа: ячейки памяти SSD начинают деградировать во время использования. Чтобы диски оставались в хорошем состоянии дольше, производители включают технологию выравнивания износа, которая пытается записывать данные в ячейки памяти как можно более равномерно. Вместо того, чтобы постоянно записывать определённый блок в одну секцию диска, она распределяет данные равномерно, поэтому все ячейки заполняются с относительно одинаковой скоростью.
• Кэш: у каждого твердотельного накопителя есть кэш, в котором данные кратковременно хранятся перед записью на диск. Эти кеши критически важны для повышения производительности SSD. Обычно они состоят из SLC или MLC NAND. Когда кэш заполнен, производительность имеет тенденцию к значительному падению — это особенно верно для некоторых дисков TLC и большинства дисков QLC.
• SATA III: это наиболее распространённый интерфейс жёстких дисков и SSD, доступных для ПК. В этом контексте «интерфейс» просто означает, как диск подключается к материнской плате. SATA III имеет максимальную пропускную способность 600 мегабайт в секунду.
• NVMe: этот интерфейс подключает SSD к материнской плате. NVMe проходит через PCIe, обеспечивая невероятно высокую скорость. Современные потребительские диски NVMe примерно в три раза быстрее, чем SATA III.
• M.2: это форм-фактор (физический размер, форма и конструкция) накопителей NVMe. Их часто называют gumstick («жевательная резинка»), потому что они крошечные и прямоугольные. Они помещаются в специальные слоты на большинстве современных материнских плат.

На этом мы завершаем наше краткое руководство по флеш-памяти NAND в современных твердотельных накопителях. Теперь у вас есть все необходимое, чтобы выбрать лучшее хранилище для своих нужд.

Связанная статья: Что такое слот расширения M.2 и как его использовать?

Резюме

Давайте подведем промежуточный итог на основе информации из этой статьи:

• для сокращения расходов размер кристалла уменьшают по осям X и Y, а также увеличивают его плотность
• программирование ячеек памяти достигается подачей напряжения, что постепенно изнашивает их
• с уменьшением размера кристалла становится тоньше оксид, что негативно сказывается на сроке службы ячеек
• истончение оксида вынуждает контроллер подавать более высокое напряжение, чтобы запрограммировать ячейку
• типы памяти различаются по количеству битов в ячейке, и чем их больше, тем хуже выносливость и скорость
• TLC наименее вынослива, потому что 8 состояний напряжения сокращают пространство для его повышения по мере износа ячеек
• для повышения быстродействия и выносливости в дисках на TLC (и даже на MLC 1xnm) используется псевдо-кэш SLC

Так выглядит сводная таблица ключевых характеристик для типов флэш-памяти, рассмотренных в этой статье.

Из нее хорошо видно, что основным мотивом движения индустрии флэш-памяти в сторону TLC является сокращение затрат на производство (без учета необходимых для этого инвестиций).

Согласно прогнозу Samsung, через три года 80% рынка будет составлять TLC NAND

Обратите внимание, что на диаграмме TLC обозначена как 3-bit MLC. Формально, так и есть, но все-таки просматривается маркетинговая хитрость

Я вернусь к этому моменту в следующей статье.

Что лучше: TLC или MLC. Какой SSD лучше

Всего есть 4 вида чипов:

• MLC;
• TLC;
• QLC;

Последний тип является профессиональным, а нам нужно простое решение для домашнего пользования, поэтому мы его трогать не будем. QLC появился на рынке только в этом году и относится к бюджетному сегменту, но у него слишком низкая скорость работы, поэтому о нем мы говорить сегодня тоже не будем.

MLC

Multi Level Sell (многоуровневая ячейка), – 2-уровневый тип памяти, в котором в одной ячейке хранится до двух бит данных. Для того чтобы можно было хранить 2 бита в одной ячейки, пришлось ввести 4-пороговое напряжение, где каждый уровень соответствует определенному количеству битов.

Благодаря четырем ступеням напряжения удалось снизить цену твердотельных накопителей, при этом увеличив количество перезаписей. Из-за увеличения количества порогов данные чипы стали зависимы от качества микросхем, их жизненного ресурса. Ресурс снизился до 10000 циклов. Есть версия eMLC, у которой количество P\E равно 20000-30000. Она предназначена для серверного использования.

Также увеличилось время чтения и записи. Однако это позволило снизить конечную стоимость продукта.

Преимущества:

• относительно небольшая стоимость;
• надежнее TLC.

Недостатки:

• не такая надежная и долговечная, как SLC, eMLC;
• не подходит для использования в промышленности и предпринимательстве.

TLC

Three Level Cell (трехуровневая ячейка), – флэш-память, у которой в каждой ячейки может хранится 3 бита информации, являющаяся продолжением (подвидом) MLC. Рассчитана на 1-3 тысячи циклов перезаписей на 1 ячейку, поэтому не рекомендуется для использования в предпринимательских или промышленных целях.

Удешевление стоимости производства объясняется введением 8-уровнего напряжения. Надежность хранения информации стала еще больше зависеть от качества микросхем, их долговечности и изменения ступеней напряжения в затворе, возникающего из-за физических процессов в кристаллической решетке. Кроме того, производителям пришлось точнее определять уровень напряжения в транзисторе, чтобы данные из ячеек считывались верно.

Преимущества:

• цена;
• подойдет большинству пользователей.

Недостатки:

• не подходит для использования в коммерческих целях;
• жизненный ресурс ячейки меньше, чем у других типов памяти.

Основные отличия

Плотность записи информации у TLC выше, чем у MLC. С точки зрения скорости записи, чтения предпочтительнее вторая версия. Однако по стоимости за 1 GB выигрывает TLC, так как здесь используется удешевленная технология изготовления.

Сохранность информации

Для хранения важных данных лучше использовать память MLC, в остальных же случаях (для хранения музыки, игр, фильмов, сериалов и т. д.) – отлично подойдет TLC.

SSD-накопитель рекомендуется использовать исключительно для хранения часто используемых программ и игр, чтобы лишний раз не занимать память.

Жизненный цикл

Как уже говорилось выше, TLC имеет ресурс, равный 1 тысяче полных перезаписей, или 6 годам использования. Что касается MLC, то у этого типа памяти жизненный цикл составляет 3000, или 8 годам службы.

Contributors

QLC+ 5:

• Eric Arnebäck (3D preview features)
• Santiago Benejam Torres (Catalan translation)
• Luis García Tornel (Spanish translation)
• Nils Van Zuijlen, Jérôme Lebleu (French translation)
• Felix Edelmann, Florian Edelmann (fixture definitions, German translation)
• Jannis Achstetter (German translation)
• Dai Suetake (Japanese translation)
• Hannes Bossuyt (Dutch translation)
• Aleksandr Gusarov (Russian translation)
• Vadim Syniuhin (Ukrainian translation)
• Mateusz Kędzierski (Polish translation)

QLC+ 4:

• Jano Svitok (bugfix, new features and improvements)
• David Garyga (bugfix, new features and improvements)
• Lukas Jähn (bugfix, new features)
• Robert Box (fixtures review)
• Thomas Achtner (ENTTEC wing improvements)
• Joep Admiraal (MIDI SysEx init messages, Dutch translation)
• Florian Euchner (FX5 USB DMX support)
• Stefan Riemens (new features)
• Bartosz Grabias (new features)
• Simon Newton, Peter Newman (OLA plugin)
• Janosch Frank (webaccess improvements)
• Karri Kaksonen (DMX USB Eurolite USB DMX512 Pro support)
• Stefan Krupop (HID DMXControl Projects e.V. Nodle U1 support)
• Nathan Durnan (RGB scripts, new features)
• Giorgio Rebecchi (new features)
• Florian Edelmann (code cleanup, German translation)
• Heiko Fanieng, Jannis Achstetter (German translation)
• NiKoyes, Jérôme Lebleu, Olivier Humbert, Nils Van Zuijlen (French translation)
• Raymond Van Laake (Dutch translation)
• Luis García Tornel (Spanish translation)
• Jan Lachman (Czech translation)
• Nuno Almeida, Carlos Eduardo Porto de Oliveira (Portuguese translation)
• Santiago Benejam Torres (Catalan translation)
• Koichiro Saito, Dai Suetake (Japanese translation)

QLC:

• Stefan Krumm (Bugfixes, new features)
• Christian Suehs (Bugfixes, new features)
• Christopher Staite (Bugfixes)
• Klaus Weidenbach (Bugfixes, German translation)
• Lutz Hillebrand (uDMX plugin)
• Matthew Jaggard (Velleman plugin)
• Ptit Vachon (French translation)