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QLC NAND: Vorzüge und Nachteile

Quad Level Cells (QLC) können vier Bits auf eine Zelle schreiben und erhöhen damit die Kapazität von Flash Medien deutlich. Es gibt aber auch erhebliche Nachteile.

Quad-Level-Cells (QLC) erhöhen die Speicherkapazität von NAND-Chips deutlich. Allerdings ist die Abnutzung auch höher, weil mehr Bits auf eine Speicherzelle geschrieben werden.

Die Innovation im NAND-Umfeld geht derzeit in zwei Richtungen: Dreidimensionales NAND (3D-NAND) sowie die Erhöhung der Bits auf einer Zelle.

3D-NAND, manchmal auch als VNAND bezeichnet, soll die Speichergrenzen von Flash-Chips nach oben verschieben und die Kosten pro Bit senken. Die physische Grenze einer Speicherzelle begrenzt die Anzahl der Zellen, die auf einen zweidimensionalen Würfel (engl. Die) platziert werden können und damit die gesamte Speicherkapazität.

3D-NAND überwindet dies, indem die Zellen in vertikalen Schichten aufgebaut werden. Damit wird erheblich mehr Kapazität erreicht.

Bei der Einführung der NAND Technologie gab es zunächst die Single-Level-Cell (SLC) Architektur. Dabei konnte ein Bit auf eine Speicherzelle gespeichert werden.

Später kamen die Multi-Level-Cell (MLC) und die Triple-Level-Cell (TLC) hinzu, die zwei beziehungsweise drei Bits speichern konnten. QLC ist die aktuellste Variante mit vier Bits.

Nachteile von QLC

QLC bietet Vorteile durch höhere Kapazität. Es könnte aber auch die letzte Technologie sein, die einfach mehr Bits auf eine Zelle schreibt. Es gibt nämlich verschiedene Probleme mit dieser Methode der Kapazitätssteigerung.

Da ist zuerst die Zuverlässigkeit. Wenn Bits zu einer Zelle hinzugefügt werden, wird es immer schwerer, diese zu validieren. Über mehrere Schreibzyklen beginnt eine Degradierung der Zellen und die Bitwerte können schwieriger ermittelt werden. Fehlerkorrektur ist hilfreich, aber irgendwann gelangt man an den Punkt, wo die Degradierung soweit fortgeschritten ist, dass nichts mehr gelesen werden kann.

Ein zweiter Punkt ist die Geschwindigkeit. Obwohl die Kapazität der Speichermedien durch mehr Bits anwächst, werden sie dadurch auch langsamer. Exemplarisch sei ein Löschvorgang auf einer Zelle betrachtet. Bei SLC dauert dieser 1,5 bis 2 Millisekunden (ms), bei MLC 3 ms, bei TLC 5 ms und bei QLC mehr als 6 ms. Letzterer Wert ist geschätzt, weil noch keine gesicherten Daten für QLC vorliegen.

Das größte Problem sind aber die maximal möglichen Schreibvorgänge, bevor das Medium den Geist aufgibt. Bei SLC sind 100.000 Schreib-/Löschzyklen möglich. Bei MLC geht dieser Wert bereits dramatisch auf 3.000 zurück. TLC schafft nur 1.000. Nach einigen Schätzungen kann QLC gerade einmal 100 pro Zelle bewältigen.

Die mangelhafte Haltbarkeit von TLC und QLC macht diese auf den ersten Blick nur für Hochgeschwindigkeitsarchive geeignet. Eine Route für die Hersteller könnte es sein, durch  die Hinzufügung von mehr Bits ein echtes WORM-Flash zu schaffen. Aber selbst dabei sinkt der mögliche Zugewinn mit jedem Schritt. MLC bietet doppelte Kapazität gegenüber SLC, TLC bringt weitere 33 Prozent und QLC nur 25 Prozent.

Die Frage bleibt, warum sich jemand ein QLC-Medium anschaffen sollte, das gerade einmal 100 Schreibvorgänge pro Zelle aushält. Kurz gesagt, bedeutet das Ausschalten einer Zelle nicht, dass das ganze Laufwerk unbrauchbar wird. Mit Tricks wie Wear Leveling und Überprovisionierung können Hersteller die Lebensdauer der Laufwerke verlängern.

Aber künftig werden die Anbieter wohl andere Wege beschreiten, um mehr Kapazität für NAND Flash zu erlangen. Kurzfristig lautet die Route Ausbau von 3D-NAND durch die Hinzufügung weiterer Schichten. Es gibt aber auch bereits Experimente mit dem Stacking logischer Komponenten, womit zusätzlicher Platz geschaffen werden könnte.    

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Artikel wurde zuletzt im März 2018 aktualisiert

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