Flash CPL : nouvelle génération ou mirage ?

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Les fabricants de stockage s'efforcent constamment d'améliorer la capacité et de réduire les coûts. Cela n'est nulle part plus apparent qu'avec le stockage flash, où les capacités sont passées de gigaoctets à 20 To et plus. Les performances sont bien en avance sur ce qui est possible avec un disque en rotation, et le coût par Go pourrait bientôt dépasser le disque dur.

La mémoire flash Penta-level cell (PLC) est la dernière génération de stockage à semi-conducteurs basée sur la technologie 3D NAND. Il utilise cinq bits par cellule pour stocker les données, avec la promesse de volumes plus importants sur une seule puce et donc – les fabricants espèrent – ​​un coût par Go inférieur.

Cependant, le flash PLC implique de prendre un certain nombre de compromis. Ceux-ci incluent une durabilité réduite, des contrôleurs plus complexes et, par conséquent, des performances inférieures. Cela est susceptible de limiter les cas d'utilisation du flash PLC, en particulier dans ses premières années.

La première génération de stockage flash NAND utilisait la technologie de cellule à niveau unique (SLC). Ce média, aujourd'hui largement obsolète, ne pouvait stocker qu'un seul état, un 0 ou un 1, par cellule. L'industrie a ensuite développé une mémoire cellulaire à plusieurs niveaux, qui pouvait stocker quatre états ou résultats de commutation.

Les cellules à trois niveaux (TLC) ont augmenté le nombre de commutateurs de tension à sept. QLC, avec quatre bits par cellule, a 16 états ou 15 commutateurs. Il s'agit actuellement de la capacité de stockage NAND la plus élevée.

Actuellement, les SSD QLC de 30 To sont largement disponibles auprès des fournisseurs de stockage, tandis que certains fabricants, tels que Pure Storage, proposent des disques propriétaires de 48 To.

Cela place la capacité de la mémoire flash devant même les plus grands disques durs conventionnels, et la mémoire flash PLC pourrait pousser les capacités beaucoup plus loin. Alex McMullen, CTO international chez Pure, prédit qu'il y aura des systèmes d'une capacité de 300 To "dans les 10 prochaines années".

Le développement de la mémoire flash PLC (et QLC) a été stimulé par les améliorations apportées aux contrôleurs de stockage et aux logiciels qui gèrent les tensions plus faibles utilisées pour écrire les données.

Alors que la 3D NAND est devenue la norme dans l'architecture des puces, les fabricants ont ajouté des couches sans réduire la taille des portes, faisant de QLC une proposition pratique et ouvrant la voie au flash CPL.

Néanmoins, le passage à une mémoire flash CPL de plus grande capacité pose des défis ; le principal d'entre eux est le nombre de niveaux de tension dans la puce.

Un lecteur flash PLC, avec cinq bits par cellule, contient 32 niveaux de tension, ce qui rend la différence entre les tensions très petite. Ceci est plus difficile à lire avec précision pour le contrôleur, rend le stockage potentiellement moins stable et pourrait avoir un impact sur les E/S car les contrôleurs et les logiciels de correction d'erreurs sont obligés de travailler plus dur.

"L'augmentation maximale de la densité de bits de QLC à PLC sera de 20 %, mais entraînera une charge de coût beaucoup plus importante en ce qui concerne l'ingénierie en raison de la complexité attendue, des performances inférieures et de la fragilité du support", déclare McMullen de Pure.

Avec QLC, la différence entre les niveaux de charge est d'environ 6 %, mais avec PLC, elle tombe à 3 %. Cela nécessite une correction d'erreur beaucoup plus puissante que le flash MLC ou TLC, par exemple.

"Le PLC a plus de bits dans la même zone de silicium, il devrait donc avoir une capacité plus élevée, mais [au prix] de la fiabilité et de la rétention des données", déclare Joseph Unsworth, vice-président pour les technologies et tendances émergentes, NAND flash, SSD et SSA chez Gartner. "Nous ne connaissons pas la densité ou la capacité NAND car il n'y a pas de produits disponibles dans le commerce sur le marché aujourd'hui."

Les concepteurs de puces devront également intégrer davantage de redondance. Déjà, avec d'autres types de flash, les fabricants ajoutent plus de capacité aux modules pour couvrir les cellules qui s'usent. Cette surcharge est susceptible d'être plus élevée avec PLC.

Pour l'instant, il n'y a pas de chiffres d'E/S publiés pour le flash PLC car les fabricants n'ont pas encore publié d'échantillons, mais les fournisseurs de stockage s'attendent à une baisse des performances - et puis il y a des questions sur la durée du flash PLC.

"Penta sera moins durable. C'est sa mécanique indéniable. À mesure que le delta entre chaque niveau de charge devient plus petit, vous devez programmer plus soigneusement, de sorte qu'il fonctionne plus lentement", déclare McMullen de Pure.

Les performances et le rapport entre le coût et la capacité détermineront où et comment les entreprises utiliseront la mémoire flash CPL.

Les premières utilisations semblent devoir inclure l'archivage et d'autres applications de stockage à long terme qui ne dépendent pas de vitesses ou de fréquences d'écriture élevées, mais où la capacité est importante. Cela pourrait s'étendre à d'autres domaines qui utilisent de grandes quantités de données, tels que les systèmes de formation en apprentissage automatique.

Le flash PLC devrait être moins cher que QLC, bien que Gartner s'attende à ce que les économies de coûts ne soient que d'environ 10 %, ce qui n'est peut-être pas suffisant pour inciter les DSI à changer.

L'adoption par les entreprises dépendra également de la durabilité des modules flash PLC. Les premières versions de QLC flash géraient environ 1 000 cycles d'écriture/effacement. Les puces QLC actuelles ont au moins doublé cela, mais cela se compare à 100 000 cycles ou plus pour les conceptions les plus durables basées sur des technologies flash plus matures.

Cependant, les cycles d'écriture/effacement importent moins pour le stockage à long terme. Et le flash PLC devrait être beaucoup plus économe en énergie que les disques rotatifs à grande capacité. Les économies d'énergie et une empreinte carbone réduite pourraient être ce qui incite les entreprises à adopter la technologie CPL.

Mais le consensus parmi les fabricants et les analystes est que les expéditions de flash CPL à grande échelle sont encore dans au moins deux ans.

Le PLC n'est pas la seule façon dont les fabricants cherchent à étendre les capacités de stockage flash.

Déjà, les fabricants de puces ont démontré les technologies hexa et hepta-cellules au stade du prototype, avec une cellule flash hepta-cellule ayant 128 niveaux de charge. Une cellule à 10 niveaux est théoriquement possible, mais la différence de charge ne serait que de 0,1 %, et c'est un véritable défi technique.

Au lieu de cela, les fabricants de stockage cherchent à ajouter des couches aux technologies existantes, telles que TLC et QLC. Comme le souligne Unsworth de Gartner, une puce avec un nombre de couches plus avancé aura toujours un avantage en termes de coût et de performances par rapport à une puce avec plus de niveaux mais moins de couches, compte tenu de l'impact des niveaux supplémentaires sur la durabilité et la conception du contrôleur.

"Il est concevable que QLC soit aussi loin que possible, et nous reviendrons à TLC avec plus de couches", déclare McMullen de Pure. Avec les feuilles de route des fabricants de puces visant 500 à 600 couches, le PLC n'est en aucun cas la seule option pour la prochaine génération de stockage flash haute capacité.