SSDs TLC versus QLC: comparação de unidades de estado sólido

No mundo das soluções de armazenamento de dados, as unidades de estado sólido (SSDs) criadas a partir de memória flash 3D NAND têm sido nada menos que um divisor de águas. Embora a primeira onda de SSDs tenha sido proibitivamente cara para armazenamento em escala, em comparação com as unidades de disco rígido (HDDs) tradicionais, as SSDs modernas são mais rápidas, duráveis e confiáveis.

No coração de todos os SSDs estão as células de memória flash. As SSDs modernas aproveitam a tecnologia flash 3D NAND para empilhar verticalmente várias camadas de células de memória.

Em comparação com a 2D NAND mais antiga, que organiza as células de memória em uma matriz plana, o empilhamento vertical de células flash melhora a densidade de armazenamento de dados, a capacidade e o custo geral por bit de dados. Simplificando, a 3D NAND pode armazenar melhor mais bits de dados.

Agora capazes de armazenar terabytes de dados com velocidades de escrita, resistência e desempenho aprimorados, as SSDs são a solução ideal para casos de uso de armazenamento maiores, desde configurações de edição de vídeo de alta qualidade até data centers profissionais.

Mas nem todas as SDDs são iguais. Categorizadas com base em sua densidade de memória flash NAND , as SSDs que usam apenas flash 2D NAND são conhecidos como unidades SLC (célula de nível único). Inovações subsequentes introduziram a 3D NAND, permitindo unidades MLC (célula multiníveis), TLC (célula de nível triplo) e QLC (célula de nível quádruplo), que oferecem melhor desempenho a custos cada vez mais baixos por bit, dependendo da situação. 

Embora as unidades QLC e TLC sejam mais lentas do que suas contrapartes de densidade celular mais baixa, fabricantes como Intel e Samsung oferecem desempenho otimizado por meio de técnicas como DRAM ou cache de SLC.

Em um nível básico, as unidades de estado sólido (SSDs) são um tipo de hardware de armazenamento que usa armazenamento flash para armazenar dados. As SSDs normalmente usam um tipo de flash chamado NAND flash, que armazena dados usando um arranjo de transistores de porta flutuante que funciona de forma semelhante às portas lógicas NOT AND. Essa combinação é de onde vem o nome NAND flash.

Cada célula NAND contém uma porta lógica de controle e uma porta lógica flutuante, separadas por uma camada fina de óxido. Por meio de um processo conhecido como tunelamento de Fowler-Nordheim, a memória flash pode armazenar dados binários usando uma carga elétrica. A carga é enviada a uma tensão que aprisiona elétrons na porta flutuante (representando um valor binário de 1) ou os remove (representando um valor binário de 0).

NOR flash são células flash que usam uma estrutura de célula semelhante às portas lógicas NEITHER OR, e são normalmente usadas para arquivos pequenos, como dados de inicialização.

A NAND flash é preferível para armazenamento geral principalmente devido às seguintes características:

• Não volátil: a NAND flash pode reter dados de forma precisa e confiável sem uma fonte de energia constante. 

• Baseada em blocos: a NAND flash usa grandes blocos de informações para ler e gravar dados. O uso de blocos oferece melhor desempenho em vez de uma abordagem byte a byte. 

• Eficiente em escala: a estrutura baseada em blocos da NAND flash é particularmente capaz em tarefas de computação sequencial e se beneficia de maior eficiência e capacidade de dados em comparação com a NOR flash ou outros tipos de armazenamento. 

• Durável: a NAND flash é muito mais durável em comparação com dispositivos de armazenamento físico, como disquetes ou HDDs, que exigem peças móveis que podem quebrar.

As primeiras SSDs foram projetadas para compatibilidade com a interface de armazenamento de memória SATA (serial ATA), uma interface legada herdada da tecnologia HDD mais antiga. No entanto, a maioria das SDDs modernas usa o mais novo protocolo de memória não volátil expressa (NVMe) para aproveitar a interface de interconexão de componentes periféricos de alta velocidade (PCI) ou PCI expressa (PCIe) e alcançar um desempenho ainda melhor.

Cerca de 20 vezes mais rápida do que as SSDs SATA, as SSDs NVMe são capazes de atingir taxas de transferência de dados de 3.500 MB até 14.000 MB por segundo. Além do aumento da taxa de transferência, as unidades NVMe podem executar milhares de filas de comandos simultâneas e também superar consistentemente as unidades SATA em testes de latência.

Por esses motivos, as SSDs NVMe rapidamente se tornaram um padrão do setor para produtos eletrônicos de consumo e aplicações profissionais de alto desempenho.

Em última análise, avaliar o valor das unidades TLC em relação às unidades QLC pode se resumir a uma comparação entre desempenho e durabilidade ou capacidade de armazenamento e relação custo/benefício.

Geralmente, as SSDs TLC são preferíveis em situações em que o desempenho consistente, a confiabilidade e a durabilidade robusta são fatores decisivos. As SSDs TLC são confiáveis para gravar e recuperar dados de forma confiável repetidamente. Elas são frequentemente escolhidos para cargas de trabalho profissionais e criação de conteúdo. 

Por outro lado, as SSDs QLC são preferidos para armazenamento de alta capacidade, de baixo custo e data warehousing com uso intenso de leitura. Esses tipos de SSDs são confiáveis para armazenar dados de longo prazo que podem ser acessados com frequência. No entanto, em situações que exigem aumento dos ciclos de gravação, em que os dados podem precisar ser gravados e reescritos mais do que simplesmente leitura, as SSDs TLC podem ser preferíveis para melhor resistência à gravação em vez de uma vida útil mais longa. 

Em termos de resistência, as SSDs recebem uma classificação TBW (terabytes gravados) para indicar a quantidade de dados que pode ser gravado em uma unidade antes do desgaste. A classificação mostra quando a deterioração do hardware físico pode começar a afetar negativamente o desempenho e a operação. Incorrendo mais desgaste de maiores quantidades de dados armazenados em cada célula, as unidades QLC geralmente têm classificações de TWB mais baixas em comparação com as unidades TLC.

Vale a pena dizer que as unidades TLC atualmente têm uma vantagem sobre as QLC em termos de durabilidade. Para combater quaisquer desvantagens relacionadas aos problemas de menor resistência comuns às unidades QLC, as melhorias nos algoritmos de correção de erros estão preenchendo a lacuna entre esses tipos de unidades flash NAND.

À primeira vista, as diferenças entre unidades QLC e unidades TLC podem ser resumidas com base na arquitetura, vida útil, desempenho e casos de uso.

• Arquitetura de armazenamento: utiliza memória flash TLC NAND que contém 3 bits de dados por célula de memória.

• Desempenho: embora mais caro que a QLC, a TLC oferece um bom equilíbrio entre capacidade, preço e velocidades de gravação e leitura. Geralmente, são mais duráveis e versáteis e são otimizadas para operações frequentes de leitura e escrita e tarefas com uso mais intenso de escrita.

• Casos de uso: os casos de uso incluem tarefas exigentes como jogos, renderização 3D e outros tipos de criação de conteúdo. 

• Vida útil: as unidades TLC normalmente têm uma vida útil de cerca de 1.000 a 3.000 ciclos de gravação.

• Arquitetura de armazenamento: usa memória flash QLC NAND que contém 4 bits de dados por célula de memória.

• Desempenho: oferece maior capacidade de armazenamento a preços mais baixos. O aumento da capacidade vem com algumas compensações em desempenho e longevidade. As unidades QLC normalmente oferecem melhor desempenho geral de leitura do que de escrita. Elas são adequadas para o armazenamento de arquivos de dados que podem precisar ser referenciados, mas não editados, apagados e reescritos com frequência.

• Casos de uso: ideais para tarefas mais leves que podem exigir mais operações de leitura do que operações de gravação, como armazenar arquivos grandes ou backup de longo prazo. Ideais para tarefas que podem se beneficiar de um armazenamento mais barato e de maior capacidade que pode tolerar a redução da velocidade, como armazenamento de mídias, armazenamento diário leve ou backups de computador. 

• Vida útil: as unidades QLC geralmente têm uma vida útil menor, de cerca de 1.000 ciclos de gravação, em comparação com as unidades TLC, pois o aumento da capacidade de dados desgasta as células de memória mais rapidamente.