PLC フラッシュ: 次世代か蜃気楼か?

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ストレージメーカーは、常に容量の向上とコスト削減に取り組んでいます。 これが最も顕著に表れるのはフラッシュ ストレージであり、容量がギガバイトから 20 TB 以上に増加しています。 パフォーマンスは回転ディスクで実現できるものをはるかに上回っており、GB あたりのコストはすぐに HDD を追い越す可能性があります。

ペンタレベル セル (PLC) フラッシュは、3D NAND テクノロジーをベースにした最新世代のソリッド ステート ストレージです。 データを保存するためにセルあたり 5 ビットを使用し、単一チップ上でより大容量のデータを保存できるため、メーカーは GB あたりのコストを削減できると期待しています。

ただし、PLC フラッシュには多くの妥協が必要です。 これらには、耐久性の低下、コントローラーの複雑化、そしてその結果としてのパフォーマンスの低下が含まれます。 これにより、特に初期の段階では、PLC フラッシュの使用例が制限される可能性があります。

初期世代の NAND フラッシュ ストレージでは、シングル レベル セル (SLC) テクノロジーが使用されていました。 このメディアは現在ではほとんど廃止されていますが、セルごとに 1 つの状態 (0 または 1) しか保存できませんでした。 その後、業界は 4 つの状態またはスイッチング結果を保存できるマルチレベル セル メモリを開発しました。

トリプルレベルセル (TLC) により、電圧スイッチの数が 7 つに増加しました。 QLC はセルあたり 4 ビットで、16 の状態または 15 のスイッチがあります。 これは現在最大容量の NAND ストレージです。

現在、30TB QLC SSD はストレージ ベンダーから広く入手可能ですが、Pure Storage などの一部のメーカーは独自の 48TB ドライブを出荷しています。

これにより、フラッシュの容量は従来の最大のハードディスク ドライブよりも優れており、PLC フラッシュにより容量がさらに向上する可能性があります。 Pure の国際 CTO、Alex McMullen 氏は、「今後 10 年以内に」300 TB の容量を持つシステムが登場すると予測しています。

PLC (および QLC) フラッシュの開発は、データの書き込みに使用されるより小さい電圧を管理するストレージ コントローラーとソフトウェアの改良によって推進されてきました。

3D NAND がチップ アーキテクチャの標準になるにつれて、メーカーはゲートを小さくすることなく層を追加し、QLC を実用的な提案にし、PLC フラッシュへの道を開きました。

それにもかかわらず、より大容量の PLC フラッシュへの移行には課題が伴います。 これらの中で最も重要なのは、チップ内の電圧レベルの数です。

PLC フラッシュ ドライブはセルあたり 5 ビットで、32 の電圧レベルを保持するため、電圧間の差は非常に小さくなります。 これにより、コントローラーが正確に読み取るのが難しくなり、ストレージの安定性が低下する可能性があり、コントローラーとエラー修正ソフトウェアがよりハードな作業を強いられるため、I/O に影響を与える可能性があります。

「QLC から PLC へのビット密度の最大増加は 20% ですが、予想される複雑さ、パフォーマンスの低下、媒体の脆弱性に関するエンジニアリングに関して、はるかに大きなコスト負担がかかります」と Pure の McMullen 氏は述べています。

QLC では充電レベルの差は約 6% ですが、PLC では 3% まで下がります。 これには、たとえば MLC や TLC フラッシュよりもはるかに強力なエラー修正が必要です。

「PLC は同じシリコン領域により多くのビットを搭載しているため、容量は大きくなるはずですが、データの信頼性と保持が犠牲になります」と新興技術とトレンド、NAND フラッシュ、SSD、SSA 担当副社長のジョセフ・アンズワース氏は述べています。ガートナーで。 「今日の市場には市販の製品がないため、NAND の密度や容量はわかりません。」

チップ設計者は、より多くの冗長性を組み込む必要もあります。 すでに他のタイプのフラッシュでは、メーカーは摩​​耗したセルをカバーするためにモジュールの容量を追加しています。 このオーバーヘッドは PLC の方が高くなる可能性があります。

メーカーがまだサンプルをリリースしていないため、現時点では PLC フラッシュの I/O 数値は公表されていませんが、ストレージ ベンダーはパフォーマンスの低下を予想しており、PLC フラッシュがどれくらい持続するかという疑問もあります。

「ペンタの耐久性は低下します。それがペンタの紛れもないメカニズムです。各充電レベル間のデルタが小さくなるにつれて、より慎重にプログラムする必要があるため、動作が遅くなります」とピュアのマクマレン氏は言う。

企業が PLC フラッシュをどこでどのように使用するかは、パフォーマンスとコストと容量の比率によって決まります。

初期の用途には、高い書き込み速度や頻度には依存しないが、容​​量が重要なアーカイブやその他の長期ストレージ アプリケーションが含まれるようです。 これは、機械学習トレーニング システムなど、膨大な量のデータを使用する他の分野にも広がる可能性があります。

PLC フラッシュは QLC よりも安価になると予想されていますが、ガートナーはコスト削減効果がわずか 10% 程度にとどまると予想しており、おそらく CIO に乗り換えを促すには十分ではありません。

企業での導入は、PLC フラッシュ モジュールの耐久性にも依存します。 QLC フラッシュの初期バージョンでは、約 1,000 回の書き込み/消去サイクルを管理していました。 現在の QLC チップは少なくとも 2 倍ですが、これは、より成熟したフラッシュ テクノロジに基づいた最も耐久性のある設計の 100,000 サイクル以上に匹敵します。

ただし、長期保存の場合、書き込み/消去サイクルはそれほど重要ではありません。 また、PLC フラッシュは、大容量の回転ディスクよりもはるかにエネルギー効率が高いと期待されています。 エネルギー節約と二酸化炭素排出量の削減は、企業が PLC テクノロジーを採用するきっかけとなる可能性があります。

しかし、メーカーとアナリストの間では、大規模な PLC フラッシュの出荷はまだ少なくとも 2 年かかるというのがコンセンサスです。

メーカーがフラッシュ ストレージ容量の拡大を検討しているのは PLC だけではありません。

すでにチップメーカーは、プロトタイプ段階でヘキサおよびヘプタセル技術を実証しており、ヘプタセルフラッシュセルは128の充電レベルを持つ予定です。 理論的には 10 レベルのセルも可能ですが、電荷の差はわずか 0.1% であり、これはエンジニアリング上の大きな課題です。

その代わりに、ストレージ メーカーは、TLC や QLC などの既存のテクノロジーにレイヤーを追加することを検討しています。 Gartner の Unsworth が指摘しているように、追加のレベルが耐久性とコントローラーの設計に与える影響を考慮すると、より高度な層数を備えたチップは、レベルが多くても層が少ないチップよりもコストとパフォーマンスで常に有利になります。

「QLC は現時点では限界に達していると考えられますが、より多くのレイヤーを備えた TLC に戻ることになるでしょう」と Pure のマクマレン氏は言います。 チップメーカーのロードマップは 500 ～ 600 層を目指しており、次世代の大容量フラッシュ ストレージの唯一の選択肢は PLC だけではありません。