SSD TLC et QLC : comparatif des solid state drives

En matière de solutions de stockage de données, les solid state drives (SSD) construits à partir de mémoire flash 3D NAND ont changé la donne. Alors que la première vague de disques SSD était trop onéreuse pour le stockage à l’échelle, par rapport aux disques durs (HDD) traditionnels, les SSD modernes sont plus rapides, plus durables et plus fiables.

Les cellules de mémoire flash sont au cœur de tous les SSD. Les disques SSD modernes profitent de la technologie flash 3D NAND pour empiler verticalement plusieurs couches de cellules de mémoire.

Comparé à l’ancienne technologie 2D NAND, qui organise les cellules de mémoire dans une matrice plate, l’empilage vertical des cellules flash améliore la densité de stockage des données, la capacité et le coût global par bit de données. En d’autres termes, la technologie 3D NAND permet de stocker plus de bits de données, mieux.

Désormais capables de stocker des téraoctets de données avec une vitesses d’écriture, une endurance et une performance améliorées, les SSD sont parfaitement adaptés aux besoins de stockage plus importants, des configurations de montage vidéo haut de gamme aux centres de données professionnels.

Mais tous les SDD ne se valent pas. Classés en fonction de la densité de leur mémoire flash NAND, les SSD qui utilisent uniquement la mémoire flash NAND 2D sont connus sous le nom de SLC (cellule mononiveau). Les innovations ultérieures ont rendu possible la 3D NAND et l’apparition des disques MLC (cellule multiniveau), TLC (cellule à triple niveau) et QLC (cellule à quatre niveaux), qui offrent une meilleure performance à des coûts par bit de plus en plus bas, selon la situation. 

Bien que les disques QLC et TLC soient plus lents que leurs homologues à faible densité cellulaire, les fabricants comme Intel et Samsung offrent une performance optimisée grâce à des techniques telles que la mise en cache DRAM ou SLC.

Les solid state drives (SSD) utilisent essentiellement le stockage flash pour stocker des données. Les SSD s’appuient généralement sur un type de mémoire flash appelé NAND, qui stocke les données à l’aide d’un agencement de transistors à grille flottante qui fonctionnent de la même manière que les portes logiques NOT AND. C’est de cette combinaison que vient le nom « flash NAND ».

Chaque cellule NAND contient une porte logique de contrôle et une porte logique flottante, séparées par une fine couche d’oxyde. Grâce à un processus connu sous le nom d’injection tunnel Fowler-Nordheim, la mémoire flash peut stocker des données binaires en utilisant une charge électrique. La charge est envoyée à une tension qui piège les électrons dans la grille flottante (représentant une valeur binaire de 1) ou les élimine (représentant une valeur binaire de 0).

Les cellules flash NOR, qui ont une structure similaire à celle des portes logiques NEITHER OR, sont généralement utilisées pour les petits fichiers tels que les données de démarrage.

La mémoire flash NAND est préférée pour le stockage général en raison des caractéristiques suivantes :

• Non volatile : la mémoire flash NAND conserve les données de manière précise et fiable, sans exiger une source d’énergie constante. 

• Structure en blocs : la mémoire flash NAND utilise de grands blocs d’informations pour lire et écrire les données. L’utilisation de ces blocs offre une meilleure performance par rapport à l’approche octet par octet. 

• Efficacité à l’échelle : la structure en blocs de la mémoire flash NAND, qui est particulièrement adaptée aux tâches de calcul séquentiel, offre une efficacité et une capacité de données améliorées par rapport à la mémoire NOR flash ou à d’autres types de stockage. 

• Durabilité : la mémoire flash NAND est beaucoup plus durable que les périphériques de stockage physiques tels que les disquettes ou les disques durs, qui comportent des pièces mobiles susceptibles de se détériorer.

Les premiers disques SSD ont été conçus pour être compatibles avec l’interface de stockage de mémoire SATA (serial ATA), une interface héritée de l’ancienne technologie HDD. Cependant, la plupart des disques SSD modernes utilisent le nouveau protocole NVMe (Non-Volatile Memory Express) pour profiter du haut débit de l’interface PCI (Peripheral Component Interconnect) ou PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express), et offrir une performance encore meilleure.

Environ 20 fois plus rapides que les SSD SATA, les disques SSD NVMe peuvent atteindre des taux de transfert de données compris entre 3 500 et 14 000 Mo par seconde. En plus d’augmenter le débit, les disques NVMe peuvent exécuter des milliers de files d’attente de commandes simultanées et surpasser de façon constante les disques SATA lors des tests de latence.

Pour ces raisons, les disques SSD NVMe sont rapidement devenus une référence dans le secteur de l’électronique grand public et des applications professionnelles haute performance.

En fin de compte, pour comprendre la différence entre un disque TLC et un disque QLC, il suffit de comparer performance et durabilité ou capacité de stockage et rentabilité.

En général, les disques SSD TLC sont préférés lorsque la performance constante, la fiabilité et la durabilité sont des facteurs décisifs. Les SSD TLC permettent d’écrire et de récupérer les données de manière fiable, encore et encore. Ils sont fréquemment choisis pour les workloads professionnelles et la création de contenu. 

Les SSD QLC, quant à eux, sont privilégiés pour le stockage haute capacité à faible coût et l’entreposage de données à forte intensité de lecture. Ces types de disques SSD sont utilisés pour stocker des données à long terme, auxquelles on accède souvent. Toutefois, dans les situations exigeant des cycles d’écriture plus importants, où les données doivent être écrites et réécrites, et non simplement lues, les disques SSD TLC offrent une meilleure endurance d’écriture sur une durée plus longue. 

En termes d'endurance, les SSD sont classés TBW (téraoctets écrits) pour indiquer la quantité de données pouvant être écrites sur un disque avant usure. Cette note indique à partir de quel moment la détérioration du matériel physique peut avoir un impact négatif sur la performance et sur les opérations. Les disques QLC subissent une usure plus importante en raison du plus grand nombre de données stockées sur chaque cellule, ce qui fait qu’ils affichent généralement un indice TWB inférieur à celui des disques TLC.

Il est à noter que les disques TLC ont actuellement une longueur d’avance sur les disques QLC en termes de durabilité. Pour pallier les inconvénients liés à l’endurance plus faible des disques QLC, les améliorations apportées aux algorithmes de correction des erreurs comblent l’écart entre ces types de disques flash NAND.

En un coup d’œil, les différences entre les disques QLC et les disques TLC concernent l’architecture, la durée de vie, la performance et les cas d’utilisation.

• Architecture de stockage : utilise la mémoire flash TLC NAND, qui contient 3 bits de données par cellule de mémoire.

• Performance : bien que plus onéreux que les QLC, les TLC offrent un bon rapport capacité, prix et vitesses d’écriture et de lecture. En général, ils sont plus durables et plus polyvalents, et ils sont optimisés pour les opérations de lecture et d’écriture fréquentes et les tâches d’écriture plus intensives.

• Cas d’utilisation : les cas d’utilisation comprennent des tâches exigeantes telles que les jeux, le rendu 3D et d’autres types de création de contenu. 

• Durée de vie : les disques TLC ont généralement une durée de vie d’environ 1 000 à 3 000 cycles d’écriture.

• Architecture de stockage : mémoire flash QLC NAND, qui contient 4 bits de données par cellule de mémoire.

• Performance : une plus grande capacité de stockage à des prix plus bas. Cette capacité augmentée s’accompagne de certains compromis en termes de performance et de longévité. Les disques QLC offrent généralement une meilleure performance en lecture qu’en écriture. Ils sont bien adaptés au stockage d’archives de données qui peuvent devoir être référencées, mais qui ne sont pas fréquemment modifiées, ni effacées et réécrites.

• Cas d’utilisation : parfaits pour les tâches plus légères, qui peuvent nécessiter davantage d’opérations de lecture que d’opérations d’écriture, comme le stockage de fichiers volumineux ou les sauvegardes à long terme. Adaptés aux tâches nécessitant un stockage moins cher, à plus grande capacité et pouvant tolérer une vitesse réduite, comme le stockage multimédia, le stockage quotidien léger ou les sauvegardes informatiques. 

• Durée de vie : les disques QLC ont généralement une durée de vie inférieure à celle des disques TLC (environ 1 000 cycles d’écriture), car leur capacité de données supérieure utilise plus rapidement les cellules de mémoire.