Bộ nhớ flash QLC tốt nhất cho hầu hết các ứng dụng có thao tác đọc (Read) nhiều, trong khi TLC phù hợp với khối lượng công việc nặng về thao tác ghi (Write). Hãy cùng khám phá sự khác nhau của QLC so với TLC NAND và cách chúng cùng tồn tại trong trung tâm dữ liệu.
Các chuyên gia CNTT có xu hướng xem sự tiến bộ của công nghệ một cách riêng lẻ – luôn luôn đi theo một hướng để cải thiện nhiều hơn, tuy nhiên điều đó thể hiện sự giới hạn nhất định. Nghe có vẻ hợp lý: Không ai tạo ra TV CRT, điện thoại quay số cố định hoặc máy cassette nữa vì không có thị trường nào cho chúng với các công nghệ thay thế vượt trội.
Tuy nhiên, đôi khi có chỗ cho nhiều thế hệ của cùng một công nghệ cơ bản tồn tại vì những khác biệt thứ yếu như hiệu suất, độ tin cậy, độ bền, tuổi thọ và chi phí. Đó là trường hợp với bộ nhớ flash NAND, trong đó sự phát triển Single-Level Cell (SLC) sang multi-level cell, Trible-Level Cell (TLC) và giờ là công nghệ lưu trữ Quad-Level Cell (QLC) đã mang lại đủ khoảng cách hiệu suất giữa chúng, cho phép không gian cho các định dạng flash NAND khác nhau cùng tồn tại trong trung tâm dữ liệu hiện đại.
Ở đây, chúng tôi tập trung vào hai công nghệ mật độ cao nhất, QLC so với TLC. Bạn có thể nghĩ rằng vì QLC, với bốn bit trên mỗi cell, là phần phát triển mở rộng làm tăng mật độ bộ nhớ flash lên 33%, nó có thể thay thế hoàn toàn TLC, với ba bit cho mỗi cell, cho việc sử dụng SSD dung lượng cao. Tuy nhiên, công nghệ TLC đã được cải thiện về độ bền và hiệu suất để tạo ra ý nghĩa cho cả hai loại NAND. Tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về sự cạnh tranh giữa QLC và TLC và lý do tại sao bạn có thể muốn cả hai loại trong hệ thống lưu trữ của mình.
Thông lượng so với sự đánh đổi về độ bền
Công nghệ bộ nhớ hiếm khi cung cấp cho bạn một cái gì đó mà không mất mát gì; đẩy các ranh giới theo một hướng thường hy sinh các tính năng và hiệu suất ở một chiều khác. Sự phát triển của công nghệ tế bào bộ nhớ (memory cell) flash NAND đã dẫn đến sự đánh đổi mật độ cao hơn thông qua việc đóng gói nhiều bit trên mỗi cell gây ra thông lượng I/O chậm hơn, độ trễ đọc cao hơn và độ bền thấp hơn.
Sự đánh đổi giữa thông lượng và độ bền so với dung lượng và chi phí là lý do một số hệ thống lưu trữ vẫn sử dụng các thiết bị SLC. Độ bền của các thiết bị SLC làm cho chúng trở nên lý tưởng cho khối lượng công việc xử lý giao dịch tần suất cao. Tuy nhiên, các lớp ứng dụng mới trong machine learning, phân tích dữ liệu lớn và media streaming yêu cầu ngày càng tăng số lượng workloads, chủ yếu là đọc dữ liệu thay vì ghi, giảm thiểu tầm quan trọng của độ bền flash .
QLC so với TLC: Xu hướng giảm DWPD (Drive Writes per day)
Theo công ty nghiên cứu Forward Insights, ít hơn 20% số SSD được bán trong năm ngoái được ghi nhận nhiều hơn một DWPD. Đến năm 2023, ước tính rằng 85% ổ đĩa được bán sẽ là các mẫu có thời lượng công bố thấp tại 01 DWPD hoặc ít hơn. DWPD đo tổng lượng dữ liệu được ghi vào ổ đĩa tương ứng với tổng dung lượng của nó và được sử dụng để chỉ ra độ bền ổ đĩa được bảo đảm trong năm năm. Ổ đĩa 1 TB được chỉ định ở 01 DWPD có thể duy trì trung bình 1 TB dữ liệu ghi mỗi ngày trong 5 năm.
Xu hướng ít DWPD củng cố trường hợp cho các ổ đĩa QLC. Chúng có độ bền ngắn nhất so với bất kỳ thiết bị flash hiện tại nào do dung sai chặt chẽ về nạp cho từng trạng thái bit trong một ô nhớ cùng với khoảng cách chặt hơn và cổng cách điện mỏng hơn trong các quy trình sản xuất flash hàng đầu.
Bạn phải cẩn thận khi so sánh thông số kỹ thuật DWPD giữa các loại thiết bị, bởi vì đó là thước đo tương đối về tương quan với tổng dung lượng ổ đĩa. Như Micron Technology chỉ ra, SSD TLC 960 GB được đánh giá ở mức 1 DWPD có độ bền tổng thể tương tự với SSD QLC 1,92 TB được đánh giá ở mức 0,5 DWPD cho một khối lượng công việc cụ thể. Mặc dù thông số QLC DPWD thấp hơn, nhưng tổng lượng dữ liệu có thể được ghi mỗi ngày là như nhau cho hai thiết bị. Do đó, đối với khối lượng công việc hầu như chỉ đọc dữ liệu, thiết bị QLC là lựa chọn tốt hơn vì công suất tăng lên.
QLC và TLC bổ sung cho nhau như thế nào
Thị trường QLC tập trung vào các “Read” workloads là chính; nó không cố gắng thay thế các thiết bị TLC, mà là để thay thế ổ cứng HDD. Đây là lý do của Micron để tiếp tục sản xuất cả hai loại thiết bị. Micron đã đưa ra một lập luận thuyết phục rằng TLC và QLC là bổ sung cho nhau, với QLC lấp đầy khoảng trống giữa lưu trữ flash TLC và đĩa từ HDD. Thật vậy, Micron đưa ra trường hợp này bởi vì SSD không bị hao mòn khi đọc dữ liệu, trong khi đó, về độ bền thì QLC vượt trội so với ổ cứng cho các workloads mà trong đó có tỷ lệ cao các lần chuyển dữ liệu tuần tự với khối lượng lớn.
Chúng ta có thể mô tả chính xác hơn các đặc điểm workloads phù hợp nhất với các ổ đĩa QLC so với TLC bằng cách xem xét kỹ các I/O pattern của các ứng dụng khác nhau. Theo mô hình cung cấp bởi Micron, các ổ đĩa QLC là tốt nhất cho workload đọc nhiều cho đến khi hỗn hợp đọc/ghi đạt khoảng 70/30 cho truyền dữ liệu nhỏ hoặc ngẫu nhiên, với tỷ lệ đạt 50-50 cho các ứng dụng có ghi tuần tự lớn. Ngược lại, các ổ đĩa TLC tốt hơn cho workload có thao tác ghi chiếm ưu thế, ngoại trừ thiểu số các ứng dụng giao dịch tần suất cao có thể yêu cầu ổ SLC có thể xử lý 5 hoặc 10 DWPD.
Một cách ngẫu nhiên, nhiều ứng dụng doanh nghiệp có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất và mức tăng cao nhất có sự vượt trội về số liệu đọc so với ghi. Bao gồm:
- Phân tích dữ liệu bằng cách sử dụng các data lake hoặc các ứng dụng dữ liệu lớn được phân tán như Hadoop;
- Ứng dụng AI sử dụng machine learning hoặc deep learning;
- Cơ sở dữ liệu NoQuery;
- Các kho lưu trữ đối tượng lớn sử dụng Ceph, Gluster, Luster,…
- Media streaming và các mạng lưới phân phối nội dung (CDN).
Với lợi thế khá lớn về dung lượng và chi phí mỗi bit thấp hơn, hy vọng các thiết bị QLC sẽ sinh sôi nảy nở trong các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp cùng với các thiết bị TLC và SLC.
Vấn đề thiết kế hệ thống
Thiết kế của các thiết bị QLC, sử dụng các khối bộ nhớ lớn hơn TLC, phù hợp với I/O với chuyển giao tuần tự khối lớn, nhưng lại không phù hợp với kiểu I/O ngẫu nhiên nhỏ điển hình của nhiều loại cơ sở dữ liệu.
Một cách các hệ thống lưu trữ có thể giải quyết được giới hạn này là bằng cách ghép một mảng SSD QLC với bộ đệm ghi non-volatile DIMM (NVDIMM) để thực hiện ghi kết hợp. Việc ghi ngẫu nhiên nhỏ được đệm cho đến khi tích lũy đủ để lấp đầy một khối dữ liệu và sau đó hệ thống ghi tuần tự chúng vào một ổ đĩa hoặc hệ thống tệp dưới dạng một lần chuyển. Bộ đệm NVDIMM có thể là các mô-đun RAM động dựa trên pin hoặc tụ điện, các mô-đun bộ nhớ liên tục non-volatile Optane hoặc thậm chí là ổ đĩa NVMe SLC hoặc TLC có độ bền cao.
Cả Microsoft và Western Digital đều có chi tiết một cách tiếp cận để sử dụng QLC xung quanh không gian của NVMe. Hệ thống lưu trữ doanh nghiệp sử dụng QLC hiện có sẵn, với Pure Storage sẽ phát hành FlashArray//C vào quý IV năm 2019.
Với lợi thế khá lớn về dung lượng và chi phí mỗi bit thấp hơn, hy vọng các thiết bị QLC sẽ sinh sôi nảy nở trong các trung tâm dữ liệu doanh nghiệp cùng với các thiết bị TLC và SLC. Hệ thống lưu trữ sẽ quản lý thông minh vị trí khối lượng công việc theo các đặc điểm và yêu cầu I/O của từng ứng dụng.
