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

Hållbarhet i all ära, men skrivning är inte grundläggande problemet.
Har inte 840 problemen lärt en något?
Problemet är att diskens celler tappar integritet fortare med fler bitar per cell, pga toleranserna mellan dem är mycket mindre.

Så du har din fina 1TB 660p, med 500GB speldata på den...
Förutom att din datas accesstid på en TLC disk är snabbare, så kommer även QLC kräva mer ECC kontroll för att kunna läsa denna data efter några månader. Detta gör till slut att kontrollern måste skriva om samma data igen, vilket sliter åter på disken.

Så förutom dina uppskattade sekventiella "icke realistiska" DWPD som nämns (pga de inte faktoriserar in filsystem mm) kommer även den slitas mer desto mer du har liggande på den. Dina 500GB måste mao roteras runt, även som statisk data, för att inte bli degraderad.

När TLC kom, trodde tillverkare och folk att det var bara att hoppa på, det är billigt, och man insåg snabbt att man missat detta problem. Faktum är att även SLC och MLC lider av exakt samma problem, men SLC klarar 5år oftast, MLC iaf 1-2 utan problem. TLC kan variera beroende på NAND, men 3-6 månader är inte ovanligt. Notera att detta inte innebär att TLC (eller QLC) blir oläsbart, utan bara att prestandan blir rent... skit, tills kontrollern hunnit hantera och skriva om det. Alla SSDer ska klara 1 år, enligt Jedec, utan läsfel, och enda jag vet som misslyckats är en 840 som fått ett ECC fel. Men... vi pratar 1-10MB/s, där ECC jobbar fullt ut.

Sen har vi ECC nivåerna som måste ökas markant på QLC för att hantera dessa fel. Dessa tar upp dyrbart lagringsutrymme, så vinsten över TLC storlek är faktiskt förvånansvärt minimal på chipnivå. Lägg till kraftigare kontroller för att kunna räkna ECC koderna i hårdvara, som också kostar mer om de ska vara bra. Därför är prisskillnaden så liten.

Sen att 660p bygger på en väldigt udda NAND litografi, 16nm 3D Floating-Gate, som är på gränsen i vad de vågar köra. Intel har redan tagit alla knep de kan för att maximera detta NAND, och Micron har redan avslutat samarbetet. På toppen av detta är det inte QLC NAND, utan TLC NAND, som man bara pressat in lite mer data i, så all form av optimering man kunnat gjort för QLC, finns bara inte.

Är QLC "ondskan själv"? Nej.

Det är dock en väldigt omogen teknik, som påstår sig spara dig lite pengar. Men du kan ofta köpa TLC SSDer för snarlikt pris än, iaf i 1TB range, som har bättre pålitlighet, mer tolerans, markant bättre prestanda och också har "en SLC cache". Flesta har tom satans bra Direct-to-TLC skrivprestanda, när väl SLC cachen tar slut.

QLC kommer vara vettigt, när den mognat lite, och vi börjar titta på 4TB+ SSDer... men som det är nu, ta en beprövad TLC disk istället är min rekommendation.

Jag är kluven, gillar inte alls minskningen i antalet skrivningar.
Från 100 000 till 1000, priset har ju inte minskat i samma proportion.
Känns som att vi behöver en ny teknik

Det är nog till syvende och sist en budgetfråga. Den som bara prioriterar en snabb och stor SSD lär välja en Samsung 970 EVO eller något liknande, men den som vill ha en stor SSD och inte vara begränsad av SATA-gränssnittet är Intel 660p ändå ett vettigt alternativ att beakta. En Intel 660p på 1 TB kostar ändå nästan hälften så mycket som motsvarande Samsung 970 EVO, och för den som har begränsad budget är det ändå väsentlig skillnad.

Hållbarhetsfrågan är lite för tidigt att uttala sig om. TLC kritiserades också för sin hållbarhet när det introducerades, och de allra flesta konsumenter har inga problem där. Jag hade exempelvis kunnat tänka mig att använda en 660p som stor sekundär spel-disk där jag använder en Samsung 850 EVO på 500 GB idag och en Samsung 960 EVO 500 GB som primär disk.

Skickades från m.sweclockers.com

Vad tror nu om att köra C: på en Samsung 970 Plus, men att istället för att komplettera med en biffig mekanisk hårddisk som D: ta en Intel 660p 2TB för icke-kritiska applikationer och data?

Skickades från m.sweclockers.com

Intressant artikel!

Jag har dock en fråga angående "SLC-delen". Stämmer det att den alltså består av samma fysiska kretsar som QLC-delen, bara att den används annorlunda (översättningen från spänning -> bitmönster ändras)? Isåfall, hur påverkar det hållbarheten?
Blir det att SLC-delen tål omkring 100k P/E-cykler, eller är även den nere på ~1k eller mindre? Om den tål mer än QLC-delen, hur fungerar det rent fysiskt?

Svar: ja. Då SLC cache minskar i storlek allteftersom disken börjar bli full, så är det så, ja. Cache byts över till QLC för att rymma mera data.

Den förbättras! Avsevärt! Eftersom QLC inte tål så många skrivningar, och skriver långsamt, och QLC datalagring nog oxo leder till (på logisk nivå) rätt stora flash pages/blocks kan jag tänka (vilket kan påverka hur mycket "spill" det blir när man skriver om data på disken*) så är det preferabelt med en yta SLC som kan absorbera skrivningar, särskilt skrivningar där en och samma fil skrivs till eller om igen och igen.

*Flash läses och skrivs ju som bekant rent fysiskt i kretsarna i pages, som i dagens flashminnen är ganska stora, men innan man kan skriva om en cell måste den rensas, och rensning sker på blocknivå som innehåller många pages (kan vara flera MB data tydligen). Så när ett block som innehåller annan data rensas måste denna data skrivas om någon annanstans, vilket leder till "extraspill"; du skriver dels den skrivning du skulle skriva, och sedan skriver du också om all den andra datan som låg i blocket du var tvungen att rensa vilket blir "onödigt" slitage på flash. Så om man skriver QLC-data i cellerna blir det många MB med data som berörs, vilket ökar strömförbrukning osv. Med SLC så blir datamängderna mindre, slitaget på flash mycket mindre, plus att alla skrivningar och rensningar ju går mycket snabbare...

Exakt hur mycket detta flash tål i SLC-läge är säkert en industrihemlighet, men avsevärt mycket mer än vid QLC-skrivning iallafall. Flera magnituder mer kan man väl lätt räkna med.

Som artikeln gick in på, SLC jobbar ju bara med två signalnivåer, "låg" och "hög". Så allt som inte är "låg" kan kontrollern i princip tolka som "hög", så man behöver inte proppa in lika mycket laddning i en cell för att få en tydlig signal vid läsning. Detta sliter mindre på flashminnet.

Jag är väl inte jättexperten Arne på flash, men i stora drag, typ. Ursäkta om det blev fel någonstans, man gör så gott man kan!

@LennyV Tackar för svaret!
Jag kollade vidare lite på varför endurance ökar i SLC-läget. Varför det blir mer läsfel som behöver korrigeras i QLC känns ju väldigt logiskt, men jag hajade inte riktigt hur en cell tar mer skada av att skriva flera bits.

Jag hittade på An overview of pseudo-SLC NAND och hittade vad som tycks vara svaret i sektion 2.2. I korthet kan man välja att bara programmera en bit, eller att programmera flera: när man gör flera så måste den skriva flera pass för att skriva den andra biten, vilket orsakar mer skada.
Det visade sig dock inte stämma, för de nämner strax därefter:

Nästa sektion tar upp pSLC mode där man vad jag förstår använder en högre spänning per cell.

Tyvärr så svarade inte det exakt på min fråga ändå.
Att det ger lägre error rates och längre "hållbarhet" är återigen logiskt, men varför tar transistorn mindre fysisk skada av att ha högre threshold?

I slutändan så hittade jag svaret i Anandtechs artikel om TLC (länk till sida 2).
Om jag tolkar det rätt så är problemet inte exakt att QLC-skrivning orsakar mer skada, utan att på grund av att det krävs mer precision i läsningen för att skilja på de 16 olika nivåerna, istället för 2 i SLC, så måste en transistor vara i bättre skick för att fungera till QLC.

En transistor som är för nött för QLC bör isåfall fortfarande kunna användas i SLC-läge, eftersom precisionen som krävs där inte är lika stor. Om det stämmer så antar jag att det inte är något som görs i praktiken, men det svarar äntligen på min fråga. Har suttit och läst ang. detta nästan en timme nu.

Det finns massor med konkurrenter på Toshibas NAND eller samma Intel NAND, men i TLC läge, som alla är bättre alternativ.
Vi pratar 1200kr för en 1TB 660p, vs 1300kr för bra TLC NAND som har bättre prestanda utanför SLC cache, som alla har en SLC cache också och som är bättre alternativ.

En regel man lär sig som datorbyggare rätt snabbt är att billigaste produkten sällan är den bästa, eller ens prisvärd för vad du får.

Så varför vill du då rekommendera folk att hoppa på det innan det är testat?
Som jag sa, TLC hade stora problem, både med cell-urladdning och med på tok för dålig ECC i tidig utveckling. Idag är det en mogen teknik, och man gjorde rätt att undvika den tills den mognat.

Jag har även dessutom test-resultat på just cell-urladdning på både 545 och på massor med andra SSDer, med olika tillverkare av NAND, och även moderna TLC diskar läcker idag. Det som räddar dem är en kontroller som hanterar det och skriver om cellerna.

Problemet med QLC är... du har vs TLC lägre antal skrivningar som faktiskt är testat i verkligheten. Du har en lavin ökande urladdning av celler när disken närmar sig sin maximala livslängd i skrivningar, vilket i sig gör att kontrollern måste skriva om mer och mer ofta. Så bara att ha data liggande på din SSD medför "slitage" på dessa diskar. Dvs har du 90% full spel SSD, måste du med jämna mellanrum skriva om 0.9DW... detta utanför dina egna skrivningar.

Problemet är som sagt, TLC behöver detta hela vägen ner till var 3:e månad. Och om du då tänker dig QLC ska trycka in 4 bitar data på samma plats som TLC inte ens kunde hålla reda på 2 bitar korrekt efter 3 månader. Resultatet är en faktorskillnad, ofta 5-10x snabbare, degradering. Om vi tänker optimistiskt 6x här, så är det i runda slängar 2 gånger per månad, din disk måste skriva om all data.

Så din speldisk, där data bara ligger, kommer mao antingen få läs-prestanda som är usel rätt snabbt, eller måste skrivas om i bakgrunden av kontrollern, så pass mycket, att dina 0,1 DWPD är redan tagna i 15-20 dagar av varje månad, med att hantera statisk data.

Sen har vi 1000 P/E vs 3000 P/E. Om du sett hur illa nästan allt NAND blir när det når 3000 P/E med retention tider innan ECC behov finns på minuter!, så inser man snabbt att det är extremt optimistiska nivåer av tillverkaren satta där de garanterar "den kan läsas" men inte ett skit "hur länge" eller "hur snabbt/bra". Det ska som i JEDEC, bara gå att läsa korrekt, men det kan vara i 1MB/s (som det i nästan samtliga TLC diskar jag har tester på, är på iaf en del celler, ofta många celler)

Resultatet är de 100 P/E som du ursprungligen har i QLC nivåer, är faktiskt de du kan bruka, effektivt. Troligen kan du kanske krypa upp till några 100 tom, men inte mycket mer än det, innan cell-urladdning blir ett enormt accelererande problem din kontroller måste hantera. Och när du når en punkt där, skenar urladdning och du springer mot 1000 P/E enormt snabbare än tidigare.

Mao, idag är hållbarhet inte "max antal skrivcykler", utan hur långt du kan använda disken innan du får denna skenande effekt av instabila celler. Och med tanke på att som sagt Intel är fortfarande på TLC Floating Gate, en teknik ALLA andra överger (Alla= Micron själva tom, samt Samsung, Toshiba/WD, Sk Hynix) så har du ett uselt NAND att börja med.

Floating gate är enormt stabil när det är friskt, men när det slits, tappar isoleringen snabbt förmågan att hålla helt tätt. För varje skrivning slits detta och blir värre och värre. Även en sliten FG cell kan skrivas till, men cellen kan ladda ur enormt fort, vilket då sätter kravet på mer ECC. Detta var ju vad som hände med tidigt TLC teknik, och alla tillverkare påverkades. Och just QLC ECC kravet gör att de 33% mer "data" vs TLC, snabbt går ner mot 20-25% och du måste som sagt har en dyrare kontroller med 4k LDPC eller mer för att hantera det.

Tom Intels 535 (MLC) lider av problemet, men har en kontroller som inte kan hantera det. Och detta är 16nm MLC FG 2D NAND... samma NAND som intel byggde deras FG 3D NANDs grund efter. De kallade den beprövad... resten av världen kallade den föråldrad. Låt inte Intels PR snack lura dig nu, för om tom Micron insett problemet som trots allt samarbetar med dem, är det ett problem att räkna med.

Charge Trap har sina problem de med, men skenar inte i urladdning, utan istället får kontrollerad skada i sin isolering, vilket gör att du kan hantera felen mycket enklare, tom med algoritmer vid skrivning, när cellen blir äldre. Och olika design lösningar, nya isoleringsmaterial och lägre spänning kan enkelt förbättra dessa celler där floating gate aldrig fixas. Att du i designen också har 3Xnm celler, även idag, gör att marginalerna i varje cell är bättre.

Så jag står vid mitt råd... låt andra beta testat det.
Ta en pålitlig TLC disk i samma prisklass, och låt QLC mogna innan vi hoppar på det.

Anledningen varför du kan få fler skrivingar i SLC läge är ju för du kan programmera med lägre spänning. Detta är något man börjat göra mer och mer, där istället för tex TLC 000 -> 111 skriver detta som 0 -> 1 i SLC läge, kanske du skriver 000 vs 010. Den lägre spänningen ger ju samma "skillnad" i SLC läge, men sliter mindre. Och det går att köra TLC NAND i MLC läge också, på liknande principer, som ger dig mer skrivtålighet.

Faran är när man gör som med tidigt TLC (och nu även med QLC på TLC), tar ett MLC NAND och försöker skriva TLC data. Cellen är egentligen inte optimerad för det. Och både nivåer och toleranser är sällan optimala för att hantera dessa extra steg. Och eftersom du på 16nm nivå (i Intels fall) är redan nere på <100 elektroner per cell, pratar vi en fel tolerans på antal elektroner du kan lätt räkna på fingrarna, för varje steg. Så du måste använda verkligen hela rangen på cellen för att göra det.

Och notera, transistorn tar inte skada, den fungerar troligen i 100k skrivningar utan problem. Skadan sker i isoleringen. Desto högre spänning du behöver för att pressa in elektroner, desto mer slits. Och med TLC och QLC måste du även skriva i flera omgångar. Så du skriver inte bara en gång, utan 3-4 gånger (TLC) för att får exakt rätt precision. Detta bidrar ju kraftigt till varför du får så kraftigt mycket sämre antal P/E från MLC->TLC->QLC. För du fysiskt måste skriva fler gånger för att få in precisionen.

Då det som sagt är inte transistorn, utan isoleringen... tyvärr inte. Eller iaf inte på floating gate som Intel kör.

Problemet med just floating gate är att det är en "allt eller inget" sätt att lagra elektronerna. Dvs när väl minsta lilla läcka/skada skett i isoleringen, kommer alla elektroner läcka ut genom den. Det som påverkar är tiden det tar att göra. Så i SLC läge kan du säkert spara data längre tid innan den blir oläsbar, men den kommer bli oläsbar om cellen är slutkörd oavsett.

Charge Trap är lite mer komplex här, då varje elektron ligger i själva isoleringen. Så när du får skador, kommer de elektroner som är precis kontakt med skadan att tappas, men de andra blir kvar i sina hål. Så även om den då tappar översta "laddnings läget" på slitna celler, tex TLC läge: 101-110-111 tex, så kommer alla de under 000-001-010-011-100 att kunna lagras korrekt. Och här kan ju SLC skrivning leva vidare utan problem, tills skadorna är så illa att cellen inte kan ta någon laddning alls mer eller mindre.

Du kan se floating gate som en hink med vätska. Ett litet hål... och spelar ingen roll hur mycket eller lite du har i den, allt läcker ut.
Och charge trap tror jag de bäst beskrevs som en ost med massa hål i, där du kan lägga elektronerna. Först när en spricka sker vid just ett hål, kommer ju det hålet att påverkas.

Problemet är, SLC cachen motverkar inget som inte Sandisk gjorde med 500 P/E skräp MLC NAND i sina riktiga budget SSDer för nästan 5 år sedan. QLC har många fler problem, och Intel måste få upp direkt-to-QLC skrivprestandan om du ska fylla en 2TB SSD med data utan att fundera på att köpa en HDD istället. Det är iaf en förbättring i kontroller över 600p, så det är iaf något.

Men just low-end pris, är ofta en fallgrop för folk som köper teknik. Priset är verkligen inte allt. Och en 1TB+ SSD hade jag räknat med vilja använda fullt ut i måååånga år, så priset är eg extremt lågt även på 970 EVO, om man ser till prestandan du får över alla åren. Sen förstår jag att alla behöver inte den prestandan. Men om man inte gör det, offra inte hållbarheten för några 100kr... det är det inte värt. Det finns prisvärda M.2 diskar också med TLC om du gör dessutom.