Explicación de la tecnología X-NAND: capacidad QLC a velocidades SLC

El campo del almacenamiento ha experimentado algunos avances rápidos en la última década. Durante mucho tiempo, los discos duros fueron el principal y único medio de almacenamiento utilizado en las PC de consumo. En los albores de la década anterior, se produjo la introducción revolucionaria de una nueva forma de medio de almacenamiento conocido como almacenamiento de estado sólido. Ahora el concepto no era desconocido, pero la implementación al principio no estaba refinada, por decir lo menos. Sin mencionar que los costos de los diferentes tipos de unidades de estado sólido estaban por las nubes en comparación con un disco duro mecánico estándar y, por lo tanto, los discos duros seguían siendo el medio predeterminado para el almacenamiento en las PC de consumo.

Más adelante en la década, el avance y la progresión en el campo del almacenamiento en etapa sólida se multiplicó por diez. Se lanzaron al mercado tecnologías flash NAND más nuevas, se incorporaron controladores más rápidos y eficientes, el número bruto de unidades se disparó exponencialmente y las unidades se volvieron cada vez más baratas. Muchos de estos cambios deben atribuirse en algún nivel a la progresión y los avances en el campo del flash NAND. Los diferentes tipos y configuraciones de la memoria flash NAND permitieron a los fabricantes reducir el costo de la unidad en sí y al mismo tiempo mantener grandes capacidades y altas velocidades. Antes de desentrañar los secretos de X-NAND, tenemos que recapitular qué es realmente el flash NAND.

NAND

Como se explica en nuestra guía avanzada para comprar un SSD, NAND flash es un tipo de memoria no volátil que no requiere energía para retener datos. NAND Flash almacena datos como bloques y se basa en circuitos eléctricos para almacenar datos. Cuando no hay energía disponible para la memoria flash, utiliza un semiconductor de óxido de metal para proporcionar una carga adicional, conservando así los datos.

Esta forma de almacenamiento de estado sólido a menudo se combina con algo llamado caché DRAM. Este es un medio de almacenamiento más rápido pero más pequeño que funciona en conjunto con la memoria flash NAND de la unidad para ofrecer las altas velocidades por las que son famosos los SSD. Siempre que el sistema le indica al SSD que obtenga algunos datos, la unidad necesita saber dónde se almacenan exactamente los datos dentro de las celdas de memoria. Por esta razón, la unidad mantiene una especie de «mapa» que rastrea activamente dónde se almacenan físicamente todos los datos. Este «mapa» se almacena en la memoria caché DRAM de una unidad. Es importante comprender que la memoria flash NAND funciona mejor cuando se combina con una memoria caché DRAM.

Tipos NAND

Como X-NAND también es un nuevo tipo de flash NAND, primero debemos recapitular los tipos de flash NAND que ya existen en los SSD de hoy.

• Celda de una sola capa (SLC): Este es el primer tipo de memoria flash disponible como almacenamiento flash. Como su nombre lo indica, almacena un solo bit de datos por celda y, por lo tanto, es muy rápido y duradero. Sin embargo, por otro lado, no es muy denso en términos de la cantidad de datos que puede almacenar, lo que lo hace muy caro. Hoy en día, no se usa comúnmente en SSD convencionales y está limitado a unidades empresariales muy rápidas o pequeñas cantidades de caché.
• Celda multicapa (MLC): A pesar de ser más lento, MLC ofrece la opción de almacenar más datos a un precio más bajo que SLC. Muchas de estas unidades tienen una pequeña cantidad de caché SLC (adecuadamente denominada técnica de almacenamiento en caché SLC) para mejorar las velocidades mediante las cuales la caché actúa como un búfer de escritura. MLC también ha sido reemplazado hoy en día por TLC en la mayoría de las unidades de consumo, y el estándar MLC se ha limitado a soluciones empresariales.
• Celda de triple nivel (TLC): TLC sigue siendo muy común en los SSD convencionales de hoy. Si bien es más lento que MLC, permite mayores capacidades a un precio más económico debido a su capacidad para escribir más datos en una sola celda. La mayoría de las unidades TLC emplean algún tipo de almacenamiento en caché SLC que mejora el rendimiento. En ausencia de caché, una unidad TLC no es mucho más rápida que una unidad de disco duro tradicional. Para los consumidores normales, estas unidades ofrecen una buena relación calidad-precio y un buen equilibrio entre rendimiento y precio. Los usuarios profesionales y consumidores potenciales deben considerar las unidades MLC de nivel empresarial para obtener un rendimiento aún mejor si lo consideran oportuno.
• Celda de cuatro niveles (QLC): Este es el siguiente nivel de tecnología de almacenamiento que promete mayores capacidades a precios aún más económicos. También emplea una técnica de almacenamiento en caché para proporcionar buenas velocidades. La resistencia puede ser un poco menor con unidades que utilizan QLC NAND, y el rendimiento de escritura sostenido puede disminuir una vez que se llena la memoria caché. Sin embargo, debería introducir unidades más espaciosas a precios asequibles.

Estas son las formas actuales de NAND Flash que existen actualmente en los SSD de hoy. Como los fabricantes siempre están innovando y mejorando estos diseños para mejorar el rendimiento y, lo que es más importante quizás, reducir los costos, también hemos visto la introducción de algo conocido como 3D NAND en los SSD.

Como se mencionó anteriormente, 2D o Planar NAND tiene solo una capa de celdas de memoria, mientras que 3D NAND coloca celdas una encima de la otra de manera apilada. Los fabricantes de unidades ahora están colocando más y más pilas una encima de la otra, lo que conduce a unidades más densas, más espaciosas y menos costosas. Hoy en día, 3D NAND Layering se ha vuelto realmente común, y la mayoría de los SSD convencionales emplean esta técnica. Estas unidades cuestan menos que sus contrapartes planas porque es más económico fabricar un paquete flash apilado más denso en comparación con uno 2D. Samsung llama a esta implementación «V-NAND», mientras que Toshiba la llamó «BISC-Flash».

Esta técnica también permite a los fabricantes de la unidad producir SSD con mayores capacidades a precios más bajos en grandes volúmenes.

Que es X-NAND

X-NAND es teóricamente la combinación de las mejores cosas de SLC y QLC. En esencia, el concepto intenta traer lo mejor de ambos mundos en un solo lugar y eso es realmente lo que se necesita para impulsar el segmento de la tecnología NAND Flash.

La arquitectura X-NAND fue presentada por el CEO de NEO Semiconductor en la Cumbre de memoria Flash para 2021. Esta nueva arquitectura promete combinar la velocidad de SLC Flash con la densidad y el bajo precio de QLC Flash. En comparación con el QLC NAND convencional, el tiempo de lectura se mejora hasta en un 30%, el tiempo de programación en un 37%, el rendimiento de lectura en hasta 27 veces y el ancho de banda de escritura en hasta 14 veces. Estas son mejoras astronómicas cuando las comparamos con lo que tenemos disponible hoy, lo que hace que X-NAND sea una arquitectura realmente atractiva a tener en cuenta en el futuro cercano.

Ventajas de X-NAND

Andy Hsu, director ejecutivo de NEO Semiconductor, explicó los beneficios potenciales de X-NAND en la Cumbre de memoria flash virtual de tres días para 2020. A continuación se presentan algunas de las ventajas importantes de X-NAND sobre las tecnologías flash actuales.

Velocidad

Lo mejor de X-NAND es la posible fusión de las dos mejores cosas que encontramos en SLC y QLC NAND hoy en día. Actualmente, los usuarios tienen que elegir entre la capacidad y la asequibilidad de QLC, o la velocidad bruta de algo como una unidad MLC (dado que SLC ya no se usa comúnmente para fabricar SSD de consumo). Dado que X-NAND promete combinar las velocidades de SLC con la capacidad de QLC, no tenemos ninguna razón para dudar de que esta nueva tecnología ofrecerá cifras de velocidad ridículas.

Capacidad

Actualmente, QLC es el tipo de flash NAND preferido cuando se trata de fabricar SSD de alta capacidad a precios razonables. Esto se debe a que, debido a la arquitectura y la densidad del flash QLC, es posible almacenar más datos en el flash de los que puede almacenar en un MLC equipado de manera similar o incluso en una unidad TLC. Al llevar los beneficios de capacidad del QLC NAND más lento a las velocidades SLC de mayor velocidad, se producirá potencialmente un SSD que combine lo mejor de ambos mundos, como lo eludimos anteriormente.

Asequibilidad

No hay información cierta sobre el precio de X-NAND en el momento de escribir este artículo, pero si la situación actual de precios de SLC y QLC NAND es algo que se puede seguir, X-NAND tiene el potencial de ser tan barato como QLC en el futuro cercano. QLC es la forma más lenta y más común de NAND en los SSD de hoy en día y, por lo tanto, también es la más barata. Si bien puede ser un poco exagerado decir que X-NAND definitivamente igualará o socavará las unidades QLC de hoy, el potencial definitivamente está presente y es innegable. El segmento de SSD de presupuesto ya es muy competitivo, como notamos en nuestro resumen de los 5 mejores SSD de SATA de presupuesto para comprar en 2021, y con X-NAND tiene el potencial de volverse aún más concurrido.

Mecanismo detrás de X-NAND

Si bien las unidades QLC de consumo dependen en gran medida del almacenamiento en caché de SLC (con una pequeña cantidad de SLC NAND a bordo para acelerar los procesos), X-NAND encuentra una manera de que la memoria flash mantenga el rendimiento de SLC durante un período de tiempo prolongado. Esto se hace permitiendo simultáneamente los modos de escritura SLC y QLC que no es un proceso implementado en las unidades QLC actuales.

Como se puede ver en esta tabla de rendimiento, el rendimiento de escritura de una unidad QLC moderna cae por el precipicio después de un cierto período de tiempo. Esto se debe a que el caché SLC está lleno y la unidad tiene que depender de su QLC NAND mucho más lento para mover los datos. Compare eso con la línea del gráfico X-NAND que permanece al 100% durante la prueba, y la diferencia es de día y de noche. Aquí realmente podemos apreciar los beneficios de rendimiento de X-NAND, que llevan las velocidades de nivel SLC a un rango de precios y un nivel de capacidad más asequibles.

X-NAND logra estas ganancias al pasar de un búfer de página de 16 KB por plano a un búfer de página de 1 KB por plano, pero con dieciséis veces los planos, como se cita en un ejemplo. Esto se puede entender mejor analizando algunas de las terminologías utilizadas aquí. Un plano tiende a ser la unidad más pequeña de entrelazado para flash, con uno o más planos por flash muere. El búfer de página contiene datos en tránsito entre el bus y la memoria flash. Un troquel flash se divide en planos que contienen líneas de bits o cadenas de celdas, por lo que la división plana puede reducir la longitud de la línea de bits y eso ayuda a mejorar el rendimiento. El rendimiento de escritura se puede aumentar considerablemente mediante este proceso.

Aplicaciones futuras

El futuro ciertamente parece brillante si echamos un vistazo al potencial de X-NAND. Si bien es ciertamente difícil predecir si X-NAND será o no un producto viable real en el mercado en el corto plazo, el camino por delante parece estar bastante bien pavimentado para la introducción de esta tecnología. X-NAND definitivamente revolucionará el mercado del almacenamiento de estado sólido si hace su debut en la situación actual del mercado.

Teniendo en cuenta el potencial de mejoras y pulido adicionales, X-NAND definitivamente puede ser un candidato viable para el centro de datos y las aplicaciones empresariales en el futuro. Lo más importante en el entorno de un centro de datos es definitivamente la seguridad y la redundancia de los datos. Si las mentes detrás de X-NAND pueden descubrir cómo aumentar la resistencia y confiabilidad de este NAND, entonces definitivamente puede ser un segmento de mercado donde X-NAND puede tener un impacto en el futuro cercano.

En lo que respecta a las PC de consumo y las aplicaciones de juegos, también hay mucho potencial en este espacio. Actualmente, los compradores potenciales de SSD definitivamente se debaten entre las velocidades de MLC / TLC y la capacidad y el precio de QLC NAND. El precio definitivamente jugará un papel importante en el éxito de X-NAND en el mercado de escritorio de consumo, pero podemos esperar que mejore una vez que la arquitectura se vuelva más madura y el proceso de fabricación se simplifique.

Conclusión

Si bien puede parecer demasiado bueno para ser verdad, X-NAND es una nueva tecnología revolucionaria que tiene como objetivo combinar las mejores partes de los tipos SLC y QLC NAND. Aunque puede que no sea tan simple en este momento, no se puede ignorar el potencial de esta tecnología. Esto no solo es algo que puede ser un gran avance en el campo de los centros de datos y la informática de borde, sino también en el mercado de las PC de escritorio y las máquinas de juego de consumo. X-NAND todavía está en su infancia en este momento y no hay ningún producto en el mercado que utilice este flash NAND en el momento de escribir este artículo, pero debería ser emocionante ver lo que las mentes detrás de X-NAND han planeado para su eventual lanzamiento en El mercado.