Не завжди новітнє є найкращим рішенням. Останнім часом виробники твердотільних накопичувачів почали йти на поступки щодо швидкості та надійності, щоб збільшити обсяг пам’яті в своїх пристроях. Хоча такі протоколи, як NVMe і PCIe, розвиваються у напрямку прискорення, деякі SSD-накопичувачі фактично роблять крок назад у продуктивності.
Проблема з QLC Flash
Основна проблема полягає в тому, що виготовлення твердотільних накопичувачів є дорогим процесом. Мало хто готовий платити 200 доларів за SSD об’ємом 512 ГБ, коли можна придбати механічний жорсткий диск на 2000 ГБ менш ніж за 50 доларів. Тому більші обсяги пам’яті є більш привабливими для покупців.
Виробники SSD збільшують ємність зберігання, зменшуючи витрати, але це негативно впливає на продуктивність і довговічність. Хоча великі твердотільні накопичувачі стають доступнішими, кожен технологічний прорив у SSD супроводжується певними компромісами. Наразі ми спостерігаємо зростання популярності твердотільних накопичувачів Quad Level Cell (QLC), які можуть зберігати 4 біти даних в одній комірці пам’яті. Хоча QLC ще не повністю замінив стандартні SSD, деякі накопичувачі на їх основі вже з’явилися на ринку, і вони зіткнулися з певними труднощами.
Зокрема, виробники SSD повинні знайти спосіб розмістити більший обсяг пам’яті в NAND-чіпи флеш-пам’яті такого ж розміру (які є фактичною частиною SSD, що відповідає за зберігання даних). Традиційно це досягалося шляхом зменшення розмірів транзисторів всередині флеш-пам’яті, завдяки стисненню вузла процесу. Однак, оскільки закон Мура сповільнюється, потрібні більш креативні рішення.
Одним із таких рішень є багаторівнева флеш-пам’ять NAND. Флеш-пам’ять NAND здатна зберігати певний рівень напруги в елементі протягом тривалого часу. Традиційна флеш-пам’ять NAND зберігає два рівні – ввімкнено та вимкнено. Це називається SLC-флеш, і вона дуже швидка. Але оскільки NAND по суті зберігає аналогову напругу, можна представляти кілька бітів за допомогою різних рівнів напруги, як показано нижче:
Проблема, як видно тут, полягає в тому, що складність збільшується експоненційно. SLC-флеш потребує лише наявності або відсутності напруги. MLC-флеш потрібні чотири рівні напруги. TLC-флеш потребує вісім. А нещодавно QLC-флеш зробила прорив на ринку, вимагаючи 16 окремих рівнів напруги.
Це викликає ряд проблем. Зі збільшенням кількості рівнів напруги стає дедалі важче розрізняти біти. Це робить QLC-флеш на 25% щільнішою, ніж TLC, але значно повільнішою. Швидкість читання не сильно страждає, але швидкість запису різко знижується. Більшість SSD (використовуючи новіший протокол NVMe) мають швидкість близько 1500 МБ/с для тривалого читання та запису (наприклад, завантаження або копіювання великих файлів). Але QLC-флеш демонструє лише 80-160 МБ/с для тривалого запису, що гірше, ніж у звичайного жорсткого диска.
QLC SSD зношуються набагато швидше
Усі SSD, як правило, мають меншу витривалість запису порівняно з жорсткими дисками. Кожен раз, коли ви записуєте дані в комірку SSD, вона поступово зношується. Вважається, що стирання комірки видаляє з неї електрони, але деякі з них завжди залишаються, через що комірка “0” з часом наближається до “1”. Це компенсується контролером, який з часом застосовує більшу напругу, що добре, якщо у вас є достатній запас напруги. Але у QLC його обмаль.
SLC має середню витривалість запису 100 000 циклів програмування/стирання (операції запису). MLC має від 35 000 до 10 000. TLC має близько 5000. А QLC має лише мізерну 1000. Це робить QLC непридатним для дисків частого доступу, таких як завантажувальний диск, на який дуже часто відбувається запис.
Отже, не варто купувати QLC-накопичувач для використання в якості системного диска вашої операційної системи. Вони занадто ненадійні, і немає гарантії, що вони не вийдуть з ладу через кілька років. Рекомендується використовувати великий QLC-накопичувач як заміну жорсткому диску, що обертається, а швидкий SLC-, MLC- або TLC-накопичувач – як основний диск ОС. У ноутбуках це може бути проблемою, де немає можливості вибору, але QLC – це ще дуже нова технологія, яка ще не широко використовується в ноутбуках.
Ефективне кешування приховує ці проблеми
У цей момент може виникнути питання: навіщо взагалі потрібен QLC, якщо він об’єктивно повільніший і зношується набагато швидше, ніж інші типи флеш-пам’яті? Очевидно, що не можна рекламувати зниження продуктивності, тому виробники SSD знайшли спосіб приховати проблему – кешування.
QLC SSD виділяє частину диска в кеш. Цей кеш ігнорує той факт, що він має бути QLC і натомість працює як SLC-флеш. Кеш буде на 75% меншим, ніж фактичний простір на диску, який він займає, але він буде набагато швидшим.
Дані в кеші записуються з тією ж швидкістю, що й на інших високоякісних SSD, а потім контролер повільно видаляє їх і сортує в комірках QLC. Однак, коли кеш заповнений, контролер повинен записувати безпосередньо в повільні комірки QLC, що призводить до значного падіння продуктивності під час тривалих записів.
Зверніть увагу на цей тест від Tom’s Hardware, з їхнього огляду Crucial P1 500GB, споживчого QLC SSD, який досить чітко ілюструє цю проблему:
Червона лінія, що представляє Crucial P1, демонструє стабільну швидкість NVMe, хоча і трохи нижчу, ніж у деяких висококласних пропозицій. Але приблизно після 75 ГБ запису кеш заповнюється, і ви можете побачити реальну швидкість QLC-флеш. Лінія різко падає приблизно до 80 МБ/с, що повільніше, ніж у більшості жорстких дисків при тривалому записі.
ADATA XPG SX8200, TLC-накопичувач, демонструє аналогічні характеристики, за винятком того, що вихідна TLC-флеш-пам’ять після заповнення кешу все ще залишається швидшою. Більшість інших дисків також використовують цей метод кешування, оскільки він прискорює короткі невеликі записи на диск (які є найпоширенішими). Але саме тривалий запис є найбільш помітним – ви не помітите різниці, якщо копіювання невеликого файлу займає 0,15 секунди замість 0,21 секунди, але ви точно помітите, якщо копіювання великого файлу займе більше десяти хвилин.
Ви можете легко списати це на крайній випадок, але цей кеш не залишається 75 ГБ назавжди. У міру заповнення накопичувача кеш стає меншим. Згідно з тестуванням Anandtech, для лінійки твердотільних накопичувачів Intel 660p кеш-пам’ять для моделі 512 ГБ зменшується до 6 ГБ, коли накопичувач майже заповнений, навіть якщо залишилося 128 ГБ вільного місця.
Це означає, що якщо ви заповните свій SSD, а потім спробуєте встановити гру об’ємом 20-30 ГБ зі Steam, перші 6 ГБ запишуться на диск дуже швидко, а потім ви зіткнетеся зі швидкістю запису в 80 МБ/с для решти файлів.
Зрозуміло, що в цьому випадку ви, ймовірно, обмежені швидкістю завантаження, але у випадку оновлень (які потребують завантаження, а потім заміни існуючих файлів, що фактично потребує вдвічі більшого місця) проблема буде набагато очевиднішою. Ви закінчите завантаження, а потім будете вічно чекати, поки він встановиться.
Тож чи варто уникати QLC?
Вам точно слід уникати дисків QLC об’ємом 512 ГБ (і менше, коли їх виробництво стане дешевшим), оскільки вони не мають великого сенсу. Ви заповните їх набагато швидше, а кеш буде меншим, коли він буде заповнений, що значно знизить швидкість. Крім того, на даний момент вони не набагато дешевші за альтернативні варіанти.
Незважаючи на свої недоліки, флеш-пам’ять QLC не є великою проблемою, якщо розглядати накопичувачі більшої ємності. Модель 660p на 2 ТБ має мінімум 24 ГБ кеш-пам’яті, коли вона заповнена. Це все ще QLC-флеш-пам’ять, але це прийнятний компроміс для недорогого SSD на 2 ТБ, який більшу частину часу працює дуже швидко.
З огляду на їх велику ємність, твердотільні накопичувачі на базі QLC можуть бути гідною заміною жорсткому диску, що обертається, за умови регулярного резервного копіювання, на випадок його виходу з ладу. Це оптимальний варіант для того, до чого ви не часто звертаєтеся, але хочете мати високу швидкість, коли це потрібно. Завдяки кеш-пам’яті SLC достатнього розміру більшість тривалих операцій запису будуть досить швидкими, поки ви не заповните накопичувач.
Через проблеми з надійністю варто уникати використання його як завантажувального диска або для чогось, куди часто відбувається запис.
В інших аспектах виробництва ще потрібно досягти значного прогресу – кращі контролери, здатні працювати з більшою кількістю флеш-чіпів, дешевші флеш-чіпи, оскільки технології розвиваються, та, можливо, інші технології взагалі. QLC-флеш не стане стандартом найближчим часом; наразі це просто інший варіант. Просто переконайтеся, що під час купівлі SSD ви перевіряєте технічні характеристики та звертаєте увагу на тип флеш-пам’яті, яка використовується для його виготовлення.