Убьет ли флэш-память SSD гибридные массивы?
Появление флэш-памяти Quad-Level Cell (QLC) может снизить стоимость хранения на SSD-накопителях до уровня ее стоимости на жестких дисках. Однако по сравнению с другими типами флэш-памяти она хуже выдерживает интенсивные операции перезаписи содержимого ячеек памяти.
К концу прошлого десятилетия твердотельные накопители стали стандартным компонентом корпоративных систем хранения, поскольку они обеспечивают значительно более высокую производительность доступа к данным, чем жесткие диски, и потребляют существенно меньше электроэнергии, а значит, уменьшают тепловыделение СХД. Тем не менее многие вендоры продолжают выпускать гибридные СХД, в которых устанавливаются как твердотельные, так и жесткие диски. Дело в том, что стоимость 1 Гбайт емкости у SSD выше, чем у жестких дисков, поэтому обычно их используют только для хранения «горячих данных», к которым постоянно обращаются приложения для чтения и записи, а жесткие диски в гибридных СХД используются для размещения «холодных» данных, обращения к которым сравнительно редки и потому относительно низкая скорость чтения и записи не слишком снижает производительность приложений.
Однако в последние пару лет появилась флэш-память QLC, которая, как утверждают некоторые вендоры, позволяет снизить стоимость хранения на твердотельных накопителях до уровня ее стоимости на жестких дисках. Чтобы понять, в чем преимущества и недостатки QLC по сравнению с другими типами флэш-памяти, нужно обратиться к истории развития этой технологии.
Высокая плотность записи…
Сначала производители микроэлектроники разработали одноуровневую память SLC (Single-Level Cell), в которой в одну ячейку памяти записывался один бит. Накопители SLC имели небольшую емкость и были очень дорогими. Затем электронная отрасль освоила технологии многоуровневой памяти MLC (Multi-Level Cell), позволяющей записывать в одну ячейку по два бита. Увеличив вдвое плотность записи данных на твердотельных накопителях, MLC существенно ускорила их внедрение в индустрии СХД. Следующим этапом развития технологий флэш-памяти стало появление трехуровневой TLC (Triple-Level Cell) с записью в одну ячейку трех бит вместо двух, что в полтора раза увеличило плотность записи.
QLC расшифровывается как Quad-Level Cell, т. е. четырехуровневая память, что означает хранение в одной ячейке флэш-памяти сразу четырех битов данных. Таким образом, технология SLC позволяет записать в одной ячейке памяти только два двоичных числа (0 либо 1), MLC – четыре числа, TLC – восемь, а QLC – 16 двоичных чисел.
… но ограниченное число циклов перезаписи
Хотя флэш-память QLC и позволяет записать на треть больше данных в ячейки флэш-памяти, чем TLC, а значит, снижает стоимость 1 Гбайт емкости флэш-памяти, однако у нее есть и серьезный минус: она хуже, чем TLC, выдерживает интенсивные операции перезаписи содержимого ячеек памяти.
Дело в том, что по мере роста плотности записи битов в ячейке уменьшается число циклов перезаписей содержимого ячейки флэш-памяти Program-Erase Cycle (P/E Cycle), которое она способна выдержать. Если ячейка SLC выдерживает до 100 тыс. циклов перезаписи, то MLC – 10 тыс. циклов, TLC – 3 тыс., а QLC – всего тысячу. Поэтому очевидно, что твердотельные накопители QLC нельзя использовать для обслуживания приложений, которым нужно часто обновлять свои данные.
Кроме того, у QLC скорость доступа к данным меньше, чем у TLC, поскольку для чтения данных из ячейки в TLC нужно проверить восемь разных пороговых значений напряжения, а в QLC – 16 пороговых значений, в результате в среднем скорость чтения у QLC примерно вдвое меньше. QLC также уступает TLC и по скорости записи данных.
QLC – массивы для хранения «холодных» данных
Таким образом, флэш-память QLC оптимально подходит для хранения тех «холодных» данных, которые редко перезаписываются. Одним из первых среди ведущих вендоров СХД эту технологию взяла на вооружение компания Pure Storage, которая продвигает полностью твердотельные массивы, комбинирующие накопители TLC и QLC, как альтернативу гибридным СХД, а в нынешнем году представила СХД для неструктурированного контента FlashBlade//E. Ее примеру последовали и другие вендоры, например, Dell стала оборудовать накопителями QLC свою горизонтально масштабируемую NAS-систему PowerScale, а NetApp использует QLC в недавно представленной линейке СХД AFF C-Series, предназначенной для хранения «холодных» данных.