SSD TLC e QLC: confronto tra solid-state drive

Nel mondo delle soluzioni di data storage, le unità solid-state drive (SSD) realizzate con memoria flash NAND 3D sono state a dir poco rivoluzionarie. Sebbene la prima ondata di SSD avesse costi proibitivi per lo storage su larga scala rispetto alle tradizionali unità hard-disk drive (HDD), le unità SSD moderne sono più veloci, più durevoli e più affidabili.

Il cuore di tutte le unità SSD ci sono le celle di memoria flash. Le moderne unità SSD utilizzano al meglio la tecnologia flash NAND 3D per impilare più strati di celle di memoria in verticale.

Rispetto alla vecchia NAND 2D, che dispone le celle di memoria in una matrice piatta, l'impilamento verticale delle celle flash migliora la densità del data storage, la capacità e il costo complessivo per bit di dati. In altre parole, la tecnologia NAND 3D può memorizzare più bit di dati, in modo migliore.

Ora in grado di memorizzare terabyte di dati con velocità di scrittura, endurance e prestazioni migliorate, le unità SSD sono la soluzione ideale per casi d'uso di storage più grandi, dalle configurazioni di editing video di fascia alta ai data center professionali.

Tuttavia, le unità SDD non sono tutte uguali. Classificate in base alla densità della memoria flash NAND, le unità SSD che utilizzano solo flash NAND 2D sono note come unità SLC (single-level cell). Le innovazioni successive hanno introdotto la tecnologia NAND 3D, con unità MLC (cella multilivello), TLC (cella a tre livelli) e QLC (cella a quattro livelli) che offrono prestazioni migliori a costi per bit sempre più bassi, a seconda della situazione. 

Sebbene sia le unità QLC che le unità TLC siano più lente rispetto alle loro controparti a bassa densità di celle, produttori come Intel e Samsung offrono prestazioni ottimizzate attraverso tecniche come la cache DRAM o SLC.

A livello base, le unità solid-state drive (SSD) sono un tipo di hardware di storage che utilizza il flash storage per memorizzare i dati. Le unità SSD utilizzano solitamente un tipo di flash chiamato flash NAND, che memorizza i dati utilizzando una disposizione di transistor floating-gate che funzionano in modo simile alle porte logiche NOT AND. Da questa combinazione deriva il nome flash NAND.

Ogni cella NAND contiene sia una porta logica di controllo che una porta logica mobile ("floating"), separate da un sottile strato di ossido. Attraverso un processo noto come tunneling di Fowler-Nordheim, la memoria flash può memorizzare dati binari utilizzando una carica elettrica. La carica viene inviata a una tensione che intrappola gli elettroni nella porta mobile (rappresentando un valore binario di 1) o lo rimuove (rappresentando un valore binario di 0).

La memoria flash NOR è costituita da celle flash che utilizzano una struttura cellulare simile alle porte logiche NEITHER OR e vengono in genere utilizzate per file di piccole dimensioni, come i dati di avvio.

La memoria flash NAND è preferibile per lo storage generico, principalmente per le seguenti caratteristiche:

• Non volatile: la memoria flash NAND può conservare i dati in modo accurato e affidabile senza una fonte di alimentazione costante. 

• Basata su blocchi: la memoria flash NAND utilizza grandi blocchi di informazioni per leggere e scrivere i dati. L'uso dei blocchi offre prestazioni migliori rispetto a un approccio byte-by-byte. 

• Efficiente su larga scala: la struttura basata su blocchi di flash NAND è particolarmente adatta per attività di calcolo sequenziali e beneficia di una maggiore efficienza e capacità di dati rispetto alla tecnologia flash NOR o ad altri tipi di storage. 

• Durevole: la memoria flash NAND è molto più resistente rispetto ai dispositivi di storage fisici, come floppy dischetti o HDD, che richiedono parti mobili che possono rompersi.

I primi SSD sono stati progettati per essere compatibili con l'interfaccia di memoria SATA (serial ATA), un'interfaccia legacy ereditata dalla vecchia tecnologia HDD. Tuttavia, la maggior parte delle unità SDD moderne utilizza il nuovo protocollo non-volatile memory express (NVMe) per utilizzare al meglio l'interfaccia ad alta velocità peripheral component interconnect (PCI) o PCI express (PCIe) e ottenere prestazioni ancora migliori.

Circa 20 volte più veloci delle unità SSD SATA, le unità SSD NVMe sono in grado di raggiungere velocità di trasferimento dei dati da 3.500 MB fino a 14.000 MB al secondo. Oltre a una maggiore produttività, le unità NVMe possono eseguire migliaia di code di comandi simultanee e anche superare costantemente le unità SATA nei test di latenza.

Per questi motivi, le unità SSD NVMe sono diventate rapidamente uno standard del settore per l'elettronica di consumo e per le applicazioni professionali ad alte prestazioni.

In definitiva, la valutazione del valore delle unità TLC rispetto alle unità QLC può ridursi a un confronto tra prestazioni e durata o storage e convenienza.

In generale, le unità SSD TLC sono preferibili in situazioni in cui prestazioni costanti, affidabilità e robustezza sono fattori decisivi. Le unità SSD TLC sono affidabili e possono scrivere e recuperare dati in modo affidabile più e più volte. Sono spesso scelte per i workload professionali e per la creazione di contenuti. 

Al contrario, le unità SSD QLC sono preferibili per lo storage ad alta capacità e a basso costo e per il data warehousing ad alta velocità di lettura. Questi tipi di unità SSD sono affidabili per memorizzare dati a cui si potrebbe accedere spesso nel lungo periodo. Tuttavia, in situazioni che richiedono un aumento dei cicli di scrittura, in cui i dati potrebbero essere scritti e riscritti più della semplice lettura, le unità SSD TLC potrebbero essere preferibili per una migliore resistenza in scrittura in periodi temporali più estesi. 

In termini di resistenza, alle unità SSD viene assegnato un valore TBW (terabyte scritti) per indicare la quantità di dati che possono essere scritti su un'unità prima dell'usura. La valutazione mostra quando il deterioramento dell'hardware fisico potrebbe iniziare a influire negativamente sulle prestazioni e sulle operazioni. A causa di una maggiore usura dovuta a maggiori quantità di dati memorizzati su ogni cella, le unità QLC hanno solitamente valori TWB inferiori rispetto alle unità TLC.

Vale la pena notare che le unità TLC hanno attualmente un vantaggio rispetto alle QLC in termini di durata. Per contrastare gli svantaggi legati ai problemi di minore resistenza comuni alle unità QLC, i miglioramenti negli algoritmi di correzione degli errori stanno colmando il divario tra questi tipi di unità flash NAND.

A colpo d'occhio, le differenze tra le unità QLC e le unità TLC possono essere riassunte in base all'architettura, alla durata, alle prestazioni e ai casi d'uso.

• Architettura di storage: utilizza una memoria flash NAND TLC che contiene 3 bit di dati per cella di memoria.

• Prestazioni: sebbene sia più costosa di un'unità QLC, un'unità TLC offre un buon equilibrio tra capacità, prezzo e velocità di scrittura e lettura. In genere, queste unità sono più durevoli e versatili e sono ottimizzate per operazioni di lettura e scrittura frequenti, così come per attività ad alta intensità di scrittura.

• Casi d'uso: i casi d'uso includono attività impegnative come giochi, rendering 3D e altri tipi di creazione di contenuti. 

• Durata: le unità TLC hanno in genere una durata di circa 1.000-3.000 cicli di scrittura.

• Architettura di storage: utilizza la memoria flash NAND QLC che contiene 4 bit di dati per cella di memoria.

• Prestazioni: offre una maggiore capacità di storage a prezzi inferiori. L'aumento della capacità comporta alcuni compromessi in termini di prestazioni e longevità. Le unità QLC offrono in genere prestazioni di lettura complessive migliori rispetto alle prestazioni di scrittura. Sono adatte per lo storage dei dati che potrebbero dover essere referenziati, ma non modificati o cancellati e riscritti frequentemente.

• Caso d'uso: ideale per attività più leggere che potrebbero richiedere più operazioni di lettura rispetto alle operazioni di scrittura, come memorizzare file di grandi dimensioni o backup a lungo termine. Ideale per attività che possono trarre beneficio da uno storage più economico e con maggiore capacità, in grado di tollerare una velocità ridotta, come storage multimediale, storage giornaliero leggero o backup del computer. 

• Durata: le unità QLC hanno solitamente una durata inferiore, pari a circa 1.000 cicli di scrittura, rispetto alle unità TLC, poiché una maggiore capacità di dati consuma le celle di memoria più velocemente.