Una maggiore produzione di big data ha portato alle crescenti esigenze di capacità di storage. Sempre più spesso, le aziende che gestiscono grandi volumi di informazioni, o anche i progettisti di applicazioni embedded, necessitano di soluzioni di memoria che non solo offrano ampie capacità di archiviazione, ma anche alte velocità di lettura, scrittura, e affidabilità del dato memorizzato, il tutto senza perder d'occhio i costi. In questo particolare contesto, le memorie NAND flash con alta densità sono diventate sempre di più un elemento fondamentale dell'infrastruttura tecnologica moderna. In questo articolo, affronteremo nel dettaglio le diverse tecnologie disponibili per le NAND flash, con particolare attenzione alla Single-Level Cell (SLC) e le soluzioni innovative come la SLC Mode introdotta da Transcend nei propri dispositivi.
La tecnologia Single-Level Cell (SLC) rappresenta una delle soluzioni di archiviazione più affidabili e performanti disponibili nel mercato degli SSD. Comprendere il funzionamento della tecnologia SLC richiede una conoscenza dettagliata della struttura e delle operazioni delle celle di memoria NAND, nonché delle tecniche specifiche utilizzate da Transcend per ottimizzare le prestazioni e la durata dei loro dispositivi.
Le tecnologie disponibili: SLC, MLC e TLC
Per iniziare, andiamo ad esplorare le tecnologie disponibili per le memorie NAND flash. Queste possono essere classificate principalmente in tre categorie (SLC, MLC e TLC), ognuna con caratteristiche distintive in termini di capacità, velocità, durabilità e, ovviamente, costo. La prima di queste è la più semplice, ossia la tecnologia SLC che memorizza un singolo bit di dati per ogni cella. Questo tipo di NAND flash è noto per la sua alta velocità di lettura e scrittura, oltre che per la sua maggiore durabilità e affidabilità. Poiché ogni cella contiene solo un bit, la probabilità di errore è significativamente ridotta, il che rende l'SLC ideale per applicazioni che richiedono elevate prestazioni e affidabilità, come nei server di fascia alta e nei sistemi di storage industriale.
La soluzione successiva è la tecnologia MLC, capace di memorizzare invece due bit di dati per cella, raddoppiando dunque la capacità rispetto all'SLC a parità di celle di memoria. Questo aumento di densità, comporta un compromesso in termini di velocità e durabilità, nonché di complessità della gestione delle operazioni di lettura e scrittura. Le memorie MLC, infatti, sono più lente delle SLC e tendono a deteriorarsi più rapidamente a causa del maggior numero di stati di carica che devono essere gestiti all'interno di ogni cella. Tuttavia, questa soluzione rappresenta anche un buon equilibrio tra costo e prestazioni, risultando una scelta popolare per molti dispositivi consumer e alcune applicazioni enterprise.
La terza soluzione è la tecnologia TLC che consente di aumentare ulteriormente la densità, memorizzando tre bit di dati per ogni singola cella. Ciò consente di avere una capacità molto elevata a un costo inferiore per gigabyte rispetto a SLC e MLC. Tuttavia, le memorie TLC sono più lente e meno durature, con una maggiore probabilità di errori di lettura e scrittura. Queste caratteristiche rendono le memorie TLC adatte principalmente per applicazioni dove la capacità di memoria e il costo sono prioritari rispetto alle prestazioni e alla durabilità, come nei dispositivi di archiviazione consumer.
Tali tecnologie sono specifiche per ciò che vengono indicate come planar NAND, o anche memorie NAND 2D (Figura 1). Con l'aumentare della domanda di capacità di archiviazione, la miniaturizzazione delle celle ha portato a problemi di interferenza e affidabilità. Dunque, sono state concepite le memorie NAND 3D che non trattiamo in questo articolo.
Figura 1: Confronto tra tecnologie SLC, MLC e TLC (Fonte: Transcend)
La tecnologia SLC nel dettaglio
La semplicità della metodologia alla base della tecnologia SLC permette di ridurre significativamente la complessità delle operazioni di lettura e scrittura, migliorando sia la velocità di accesso ai dati sia la durata della memoria stessa. La semplicità della struttura SLC contribuisce anche ad una maggiore affidabilità, poiché c'è una minore probabilità di errore rispetto ad altre tecnologie di memorizzazione come la MLC (Multi-Level Cell) o la TLC (Triple-Level Cell), che memorizzano rispettivamente due e tre bit per cella.
Uno dei principali vantaggi della tecnologia SLC è la velocità. Poiché ogni cella deve rappresentare solo due stati, i tempi di commutazione sono più brevi rispetto alle celle che devono distinguere tra più livelli di carica. Ciò si traduce in tempi di lettura e scrittura più rapidi. In un SSD SLC, il tempo tipico per una lettura casuale può essere di circa 25 microsecondi, mentre il tempo per una scrittura casuale può essere di circa 250 microsecondi. Questi tempi sono significativamente inferiori rispetto agli SSD MLC e TLC, rendendo gli SSD SLC particolarmente adatti per applicazioni che richiedono alte prestazioni, come l'elaborazione in tempo reale, i database ad alta velocità ed i sistemi operativi. Quasi tutti i principali produttori di NAND 2D hanno soluzioni proprietarie che utilizzano le tecnologie SLC, tuttavia, Transcend è riuscita ad ottimizzare ulteriormente la velocità attraverso sofisticati algoritmi di gestione del firmware, che riducono la latenza e massimizzano il throughput.
La durabilità è un'altra area in cui la tecnologia SLC eccelle. Le celle di memoria NAND hanno una vita finita, determinata dal numero di cicli di programmazione e cancellazione che possono sopportare prima di iniziare a degradarsi. Le celle SLC, essendo meno complesse, possono gestire un numero di cicli significativamente maggiore rispetto alle celle MLC o TLC. Tipicamente, una cella SLC può sopportare fino a 100.000 cicli di programmazione/cancellazione, rispetto ai 3.000 cicli delle celle MLC e TLC. Tutto ciò è particolarmente importante per applicazioni che prevedono scritture intensive, come i server di database e i sistemi di videosorveglianza, dove la perdita di dati o la degradazione della memoria possono avere conseguenze gravi. Un altro aspetto critico della tecnologia SLC è la resistenza agli errori. La capacità di una cella SLC di mantenere una carica stabile e distinguibile tra i suoi due stati riduce la probabilità di errori di lettura e scrittura. Transcend implementa ulteriori misure di correzione degli errori e tecniche di livellamento dell'usura per garantire che i dati rimangano accurati e l'unità operativa anche dopo lunghi periodi di utilizzo. Queste tecnologie includono la correzione di errori a livello di bit (ECC) e l'allocazione dinamica di blocchi di memoria, che distribuiscono uniformemente le operazioni di scrittura su tutta l'unità per prevenire l'usura prematura di singole celle.
Soluzioni Innovative: SLC Cache e SLC Mode
La semplicità della soluzione SLC non sempre è ben pagata. Infatti, se si vanno ad osservare le principali caratteristiche di confronto tra le diverse tecnologie, notiamo come la capacità di memoria e il costo per gigabyte della tecnologia SLC siano aspetti critici rispetto alle altre soluzioni, nonostante poi le prestazioni più elevate di velocità e affidabilità. Tuttavia, per bilanciare le esigenze di alta capacità, velocità e costo, sono state sviluppate tecnologie innovative come SLC Cache e SLC Mode che sfruttano le caratteristiche delle memorie TLC per offrire prestazioni migliorate o equiparate alle SLC. Andiamo a vederle nel dettaglio (Figura 2).
Figura 2: Confronto tra SLC mode e SLC Cache (Fonte: Transcend)
SLC Cache
La tecnologia SLC Cache simula le prestazioni dell'SLC all'interno di un dispositivo TLC. Dividendo una porzione della memoria TLC per funzionare temporaneamente come SLC, le velocità di trasferimento dati possono essere incrementate significativamente. Questo è particolarmente utile per gestire picchi di lavoro intensi, come l'installazione di software o il trasferimento di grandi file. Tuttavia, quando il buffer SLC è pieno, la velocità di trasferimento ritorna al livello tipico della tecnologia TLC. La SLC Cache è una soluzione efficace per migliorare temporaneamente le prestazioni senza aumentare significativamente i costi. Tuttavia, presenta delle limitazioni in termini di capacità del buffer e durata della fase di alta velocità.
SLC Mode
Per superare le limitazioni della SLC Cache appena descritta, è stata sviluppata da Transcend la tecnologia SLC Mode. A differenza della SLC Cache, l'SLC Mode di Transcend consente di utilizzare tutte le celle TLC come se fossero celle SLC, processando dunque solo 1 bit di dati per cella anziché 3. Ciò elimina la necessità di un buffer limitato (aspetto critico per la SLC cache) e permette di mantenere alte velocità di lettura e scrittura in modo costante. Anche se l'SLC Mode riduce la capacità di memoria per cella, richiedendo tre volte il numero di celle rispetto alla TLC per lo stesso quantitativo di dati, il costo rimane significativamente inferiore rispetto ad una soluzione interamente SLC. Ciò rende l'SLC Mode una scelta attraente per le aziende che necessitano di alte prestazioni e affidabilità senza compromessi economici eccessivi.
Conclusioni
Nel mondo sempre più digitale e data-driven, le soluzioni di memoria ad alta densità sono fondamentali per soddisfare le esigenze di storage delle aziende. Le tecnologie NAND flash, in particolare SLC, MLC e TLC, offrono una gamma di opzioni che bilanciano capacità, velocità, durabilità e costo. La tecnologia SLC Mode introdotta da Transcend offre una combinazione imbattibile di prestazioni e costo sfruttando le celle TLC come delle single level. Utilizzando celle di memoria che memorizzano un solo bit per cella (anche nel caso delle TLC), Transcend è in grado di fornire soluzioni di archiviazione che soddisfano le esigenze delle applicazioni più critiche e delle condizioni operative più severe. Con una gestione ottimizzata del firmware e misure avanzate di correzione degli errori, gli SSD di Transcend rappresentano la scelta ideale per chi cerca il massimo delle prestazioni e della sicurezza dei dati.
Per ulteriori informazioni, potete contattare il team Transcend Italia al seguente indirizzo email: team_is-nl@transcend-info.com
Riferimenti
Di seguito, alcuni link utili per approfondire la tematica introdotta in questo articolo.
[1] Transcend - SLC Mode
[2] Rutronik - NAND Flash Architectures: What Comes After 2D SLC NAND Flash?
[3] Kang, W., Park, S., & Lee, D. (2018). Reinforcement Learning-Based SLC Cache Technique for Enhancing SSD Write Performance. USENIX Annual Technical Conference, 2018, 255-267. USENIX Association. - link al pdf
