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miércoles, 10 de marzo de 2021

Su próximo SSD podría ser más lento (gracias a QLC Flash)

 

Puerto SSD SATA

Lo nuevo no siempre es mejor. Recientemente, los fabricantes de SSD han comenzado a sacrificar velocidad y confiabilidad en aras de acumular más espacio de almacenamiento en sus unidades. Los protocolos como NVMe y PCIe se están volviendo más rápidos, pero algunos SSD están retrocediendo.

QLC Flash es el problema

Aquí está el problema. Hacer SSD es caro y pocas personas quieren pagar $ 200 por un SSD de 512 GB cuando puede obtener discos duros mecánicos de “2000 GB” por menos de $ 50. Se venden mayores capacidades.

Los fabricantes de SSD están aumentando las capacidades de almacenamiento al tiempo que mantienen bajos los costos, pero esto es malo para el rendimiento y la resistencia. Los SSD grandes pueden ser cada vez más baratos, pero hay una compensación por cada salto en la tecnología SSD. Actualmente estamos viendo el aumento de los SSD de celda de nivel cuádruple (QLC), que pueden almacenar 4 bits de información por celda de memoria. QLC no ha reemplazado por completo a los SSD estándar, pero algunas unidades que lo usan han llegado al mercado y tienen problemas.

Específicamente, los fabricantes de SSD tienen que encontrar una manera de colocar más espacio en los chips flash NAND del mismo tamaño (la parte real de almacenamiento de datos del SSD). Tradicionalmente, esto se hacía con un encogimiento del nodo de proceso, haciendo que los transistores dentro del flash fueran más pequeños. Pero a medida que la Ley de Moore se ralentiza, debes ser más creativo.

La ingeniosa solución es el flash NAND de varios niveles. El flash NAND es capaz de almacenar un nivel de voltaje específico en una celda durante un período prolongado. El flash NAND tradicional almacena dos niveles: encendido y apagado. Esto se llama flash SLC y es realmente rápido. Pero dado que NAND esencialmente almacena un voltaje analógico, puede representar varios bits con niveles de voltaje ligeramente diferentes, así:

Los niveles de voltaje aumentan exponencialmente con una mayor densidad de memoria

El problema, como se muestra aquí, es que aumenta  exponencialmente . El flash SLC solo requiere voltaje o falta de él. El flash MLC requiere cuatro niveles de voltaje. TLC necesita ocho. Y en el último año, QLC flash se ha abierto camino en el mercado, requiriendo 16 niveles de voltaje separados.

Esto genera muchos problemas. A medida que agrega más niveles de voltaje, se hace cada vez más difícil diferenciar los bits. Esto hace que QLC flash sea un 25% más denso que TLC pero significativamente más lento. La velocidad de lectura no se ve tan afectada, pero la velocidad de escritura se hunde. La mayoría de las SSD (que utilizan el protocolo NVMe más reciente) rondan los 1500 MB / s para una lectura y escritura sostenidas (es decir, cargar o copiar archivos grandes). Pero QLC flash solo maneja entre 80-160 MB / s para escrituras sostenidas, lo cual es peor que un disco duro decente.

Los SSD QLC se descomponen mucho más rápido

Todos los SSD generalmente tienen una resistencia de escritura desfavorable en comparación con los discos duros. Siempre que escribe en una celda de un SSD, se desgasta lentamente. Se supone que borrar una celda la libera de electrones, pero algunos siempre se quedan, lo que hace que una celda "0" se acerque más a "1" con el tiempo. Esto es compensado por el controlador aplicando un voltaje más positivo a lo largo del tiempo, lo cual está bien cuando tiene mucho espacio de voltaje de sobra. Pero QLC no lo hace.

SLC tiene una resistencia de escritura promedio  de 100,000 ciclos de programa / borrado (operaciones de escritura). MLC tiene entre 35.000 y 10.000. TLC tiene alrededor de 5,000. Pero QLC solo tiene una miserable cantidad de 1,000. Esto hace que QLC no sea adecuado para unidades de acceso frecuente, como la unidad de arranque, en las que se escribe con mucha frecuencia.

En pocas palabras, no compre una unidad QLC para utilizarla en la unidad del sistema de su sistema operativo. Son demasiado poco fiables para estar seguros de que no se degradarán en unos pocos años. Recomendamos usar una unidad QLC grande como reemplazo de una unidad de disco duro giratoria y usar una unidad SLC, MLC o TLC rápida como unidad principal del sistema operativo. Esto puede ser un problema en las computadoras portátiles, donde no tiene la opción, pero QLC todavía es muy nuevo y aún no ha llegado a las computadoras portátiles.

El almacenamiento en caché eficiente oculta estos problemas

En este punto, es posible que se pregunte por qué QLC es incluso una cosa cuando es objetivamente más lento y se rompe mucho más rápido que los otros tipos de flash. Obviamente, no se puede comercializar una rebaja, pero los fabricantes de SDD han encontrado una forma de ocultar el problema: el almacenamiento en caché.

Los SSD de QLC dedican una parte del disco a un  caché. Este caché ignora el hecho de que se supone que es QLC y, en cambio, funciona como flash SLC. El caché será un 75% más pequeño que el espacio real en disco que ocupa, pero será mucho más rápido.

Los datos de la caché se pueden escribir a la misma velocidad que otros SSD de gama alta, y el controlador los vaciará lentamente y los clasificará en las celdas QLC. Pero cuando esa caché está llena, el controlador tiene que escribir directamente en las celdas lentas de QLC, lo que provoca una caída considerable en el rendimiento durante las escrituras largas.

Eche un vistazo a este punto de referencia de la revisión de Tom's Hardware del Crucial P1 500GB, un SSD QLC para consumidores, que muestra este problema con bastante claridad:

La velocidad de escritura cae después de 64 GB

La línea roja que representa el Crucial P1 opera a velocidades sólidas de NVMe, aunque un poco lento en comparación con algunas de las ofertas de gama alta. Pero después de aproximadamente 75 GB de escrituras, la caché se llena y puede ver la  velocidad real del flash QLC. La línea se desploma a alrededor de 80 MB / s, más lento que la mayoría de los discos duros para escrituras sostenidas.

El ADATA XPG SX8200, una unidad TLC, muestra las mismas características, excepto que el flash TLC sin procesar después de la caída es aún más rápido. La mayoría de las otras unidades también emplean este método de almacenamiento en caché, ya que acelera las escrituras pequeñas y rápidas en la unidad (que son las más comunes). Pero las escrituras sostenidas son lo que más notará: no notará si una copia de archivo pequeño tarda 0,15 segundos frente a 0,21 segundos, pero notará si una copia grande tarda diez minutos más.

Fácilmente podría descartar esto como un escenario de caso extremo, pero esa caché no se queda en 75 GB para siempre. A medida que llena la unidad, el caché se vuelve más pequeño. Según las pruebas de Anandtech, para la línea Intel SSD 660p, el caché para el modelo de 512 GB se reduce a solo 6 GB cuando la unidad está casi llena, incluso con 128 GB de espacio restante.

El tamaño de la caché de SLC se reduce a medida que la unidad se llena

Esto significa que si llenaste tu SSD y luego trataste de instalar un juego de 20-30 GB de Steam, los primeros 6 GB se escribirían en la unidad extremadamente rápido y luego comenzarías a ver las mismas velocidades de 80 MB / s para los archivos restantes.

Por supuesto, es probable que esté limitado por la velocidad de descarga en este ejemplo, pero en el caso de las actualizaciones (que deben descargarse y luego reemplazar los archivos existentes, lo que requiere el doble de espacio) el problema sería mucho más evidente. Terminaría de descargar y luego tendría que esperar una eternidad para que se instale.

Entonces, ¿debería evitar QLC?

Definitivamente debe evitar las unidades QLC con 512 GB (y menos, una vez que sea más barato de producir), ya que no tienen mucho sentido. Los llenará mucho más rápido y el caché será más pequeño cuando esté lleno, lo que lo hará considerablemente más lento. Además, actualmente no son mucho más baratos que las alternativas.

A pesar de sus deficiencias, QLC flash no es  un gran problema cuando observa las unidades de mayor capacidad. El modelo de 2 TB del 660p presenta un mínimo de 24 GB de caché cuando está lleno. Sigue siendo flash QLC, pero es una compensación aceptable por un SSD barato de 2 TB que funciona muy rápido la  mayor parte del tiempo.

Dadas sus gigantescas capacidades, los SSD basados ​​en QLC pueden servir como un reemplazo decente para un disco duro giratorio, siempre que realice copias de seguridad periódicas en caso de que se estropee. Es óptimo para algo a lo que accede con poca frecuencia, pero quiere ser realmente rápido cuando lo hace, y con una caché SLC de tamaño decente, la mayoría de las operaciones de escritura sostenidas serán razonablemente rápidas hasta que llene la unidad.

Debido a los problemas de confiabilidad, debe evitar usarlo como una unidad de arranque o para cualquier cosa en la que se escriba con mucha frecuencia.

Todavía queda mucho por hacer en otros aspectos de la fabricación: mejores controladores capaces de abordar más chips flash, chips flash más baratos a medida que maduran los nodos de proceso y quizás otras tecnologías en conjunto. QLC flash no se está convirtiendo en el estándar en el corto plazo; actualmente, es solo otra opción. Solo asegúrate de que al comprar un SSD, verifiques las especificaciones técnicas y prestes atención al tipo de flash utilizado para fabricarlas.

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