SSD TLC frente a QLC: comparación de unidades de estado sólido

En el mundo de las soluciones de almacenamiento de datos, las unidades de estado sólido (SSD) construidas a partir de la memoria flash NAND 3D han sido una verdadera revolución. Si bien la primera ola de SSD era prohibitivamente costosa para el almacenamiento a escala, en comparación con las unidades de disco duro tradicionales (HDD), las SSD modernas son más rápidas, duraderas y confiables.

En el centro de todas las SSD se encuentran las celdas de memoria flash. Las SSD modernas usan la tecnología flash 3D NAND para apilar varias capas de celdas de memoria verticalmente.

En comparación con la versión NAND 2D anterior, que organiza las celdas de memoria en una matriz plana, el apilamiento vertical de celdas flash mejora la densidad de almacenamiento de datos, la capacidad y el costo general por bit de datos. En pocas palabras, 3D NAND puede almacenar más bits de datos y mejor.

Ahora capaces de almacenar terabytes de datos con velocidades de escritura, resistencia y rendimiento mejorados, las SSD son la solución de referencia para casos de uso de almacenamiento más grandes, desde configuraciones de edición de video de alta gama hasta centros de datos profesionales.

Pero no todas las SDD son iguales. Clasificadas en función de su densidad de memoria flash NAND, las SSD que utilizan solo flash NAND 2D se conocen como unidades SLC (celda de un solo nivel). Las innovaciones posteriores introdujeron 3D NAND, lo que permite unidades MLC (celda multinivel), TLC (celda de triple nivel) y QLC (celda de cuatro niveles) que ofrecen un mejor rendimiento a costos por bit cada vez más bajos, según la situación. 

Aunque tanto las unidades QLC como las TLC son más lentas que sus contrapartes de menor densidad celular, fabricantes como Intel y Samsung ofrecen un rendimiento optimizado a través de técnicas como DRAM o almacenamiento en caché SLC.

En un nivel básico, las unidades de estado sólido (SSD) son un tipo de hardware de almacenamiento que utiliza almacenamiento flash para almacenar datos. Las SSD suelen utilizar un tipo de flash llamado NAND flash, que almacena datos mediante una disposición de transistores de puerta flotante que funcionan de manera similar a las puertas lógicas NOT AND. Esta combinación es de donde proviene el nombre NAND flash.

Cada celda NAND contiene una puerta lógica de control y una puerta lógica flotante, separadas por una fina capa de óxido. A través de un proceso conocido como túnel Fowler-Nordheim, la memoria flash puede almacenar datos binarios mediante el uso de una carga eléctrica. La carga se envía a un voltaje que atrapa electrones en la puerta flotante (que representa un valor binario de 1) o los elimina (que representa un valor binario de 0).

NOR flash son celdas flash que utilizan una estructura de celda similar a las puertas lógicas NEITHER OR, y normalmente se utilizan para archivos pequeños como datos de arranque.

NAND flash es preferible para el almacenamiento general principalmente debido a las siguientes características:

• No volátil: NAND flash puede retener datos de forma precisa y confiable sin una fuente de alimentación constante. 

• Basada en bloques: NAND flash emplea grandes bloques de información para leer y escribir datos. El uso de bloques ofrece un mejor rendimiento en comparación con un enfoque byte por byte. 

• Eficiente a escala: la estructura basada en bloques de NAND flash es particularmente capaz en tareas de computación secuencial, y se beneficia de una mayor eficiencia y capacidad de datos en comparación con NOR flash u otros tipos de almacenamiento. 

• Duradera: NAND flash es mucho más duradera en comparación con los dispositivos de almacenamiento físico, como los disquetes o los discos duros, que requieren piezas móviles que pueden romperse.

Las primeras SSD se diseñaron para ser compatibles con la interfaz de almacenamiento SATA (serie ATA), una interfaz heredada de la tecnología HDD más antigua. Sin embargo, la mayoría de las SDD modernas usan el nuevo protocolo de memoria no volátil express (NVMe) para beneficiarse de la interconexión de alta velocidad o la interfaz PCI express (PCIe) y lograr un rendimiento aún mejor.

Aproximadamente 20 veces más rápidas que las SSD SATA, las SSD NVMe pueden alcanzar velocidades de transferencia de datos de 3500 MB a 14 000 MB por segundo. Además de un mayor rendimiento, las unidades NVMe pueden realizar miles de colas de comandos simultáneas y también superan constantemente a las unidades SATA en las pruebas de latencia.

Por estas razones, las SSD NVMe se han convertido rápidamente en un estándar de la industria para la electrónica de consumo y las aplicaciones profesionales de alto rendimiento.

En última instancia, evaluar el valor de las unidades TLC frente a las unidades QLC puede reducirse a una comparación entre el rendimiento y la durabilidad o la capacidad de almacenamiento y la rentabilidad.

En general, las SSD TLC son preferibles en situaciones en las que el rendimiento constante, la confiabilidad y la durabilidad robusta son factores decisivos. Se puede confiar en las SSD TLC para escribir y recuperar datos de manera confiable una y otra vez. Con frecuencia, se eligen para las cargas de trabajo profesionales y la creación de contenido. 

Por el contrario, los SSD QLC son los preferidos para el almacenamiento de alta capacidad y bajo costo y el almacenamiento de datos de lectura intensiva. Se confía en estos tipos de SSD para almacenar datos a largo plazo a los que se puede acceder con frecuencia. Sin embargo, en situaciones que exigen mayores ciclos de escritura, donde es posible que los datos deban escribirse y reescribirse más que simplemente leerse, las SSD TLC pueden ser preferibles para una mejor resistencia de escritura durante una vida útil más larga. 

En términos de resistencia, las SSD reciben una calificación de TBW (terabytes escritos) para indicar la cantidad de datos que se pueden escribir en una unidad antes de su desgaste. La calificación muestra cuándo el deterioro del hardware físico podría comenzar a afectar negativamente el rendimiento y las operaciones. Al incurrir en un mayor desgaste por grandes cantidades de datos almacenados en cada celda, las unidades QLC suelen tener clasificaciones TWB más bajas en comparación con las unidades TLC.

Cabe destacar que las unidades TLC actualmente tienen una ventaja sobre las QLC en términos de durabilidad. Para contrarrestar cualquier desventaja relacionada con los problemas de menor resistencia comunes a las unidades QLC, las mejoras en los algoritmos de corrección de errores están cerrando la brecha entre estos tipos de unidades flash NAND.

A simple vista, las diferencias entre las unidades QLC y TLC pueden resumirse en función de la arquitectura, la vida útil, el rendimiento y los casos de uso.

• Arquitectura de almacenamiento: utiliza memoria flash TLC NAND que contiene 3 bits de datos por celda de memoria.

• Rendimiento: aunque es más costosa que QLC, TLC ofrece un buen equilibrio entre capacidad, precio y velocidades de escritura y lectura. En general, son más duraderas y versátiles, y están optimizadas para operaciones frecuentes de lectura y escritura y tareas de escritura más intensiva.

• Casos de uso: incluyen tareas exigentes como juegos, renderizado 3D y otros tipos de creación de contenido. 

• Vida útil: las unidades TLC suelen tener una vida útil de alrededor de 1000 a 3000 ciclos de escritura.

• Arquitectura de almacenamiento: utiliza memoria flash QLC NAND que contiene 4 bits de datos por celda de memoria.

• Rendimiento: ofrece mayor capacidad de almacenamiento a precios más bajos. El aumento de la capacidad conlleva algunas compensaciones en cuanto a rendimiento y longevidad. Las unidades QLC suelen ofrecer un mejor rendimiento general de lectura que el rendimiento de escritura. Son muy adecuadas para el almacenamiento de archivos de datos a los que es posible que sea necesario hacer referencia, pero que no se editan o borran y reescriben con frecuencia.

• Casos de uso: ideales para tareas más ligeras que pueden requerir más operaciones de lectura que operaciones de escritura, como almacenar archivos grandes o copias de seguridad a largo plazo. Ideales para tareas que pueden tener un beneficio de un almacenamiento más económico y de mayor capacidad que puede tolerar una velocidad reducida, como almacenamiento de medios, almacenamiento diario ligero o copias de seguridad de computadoras. 

• Vida útil: las unidades QLC suelen tener una vida útil menor de alrededor de 1000 ciclos de escritura en comparación con las unidades TLC, ya que una mayor capacidad de datos desgasta las celdas de memoria más rápido.