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QLC NAND

QLC NAND (Quad-Level Cell NAND) ist eine Form von NAND-Flash-Speicher, der bis zu vier Datenbits pro Speicherzelle speichern kann. NAND-Flash-Storage ist ein nichtflüchtiger (non-volatiler) Speicher, der keine Energie zur Speicherung von Daten benötigt. Er findet sich in alltäglichen Geräten - wie USB-Flash-Laufwerken - und wird auch in Server-, Speicher- und Netzwerkumgebungen von Unternehmen eingesetzt. NAND-Flash-Memory konkurrieren typischerweise mit magnetischen Speichergeräten, wie z. B. Festplatten. Um Solid-State-Laufwerke (SSDs) mit mehr Speicherkapazität auszustatten, begannen Speicherhersteller mit der Entwicklung von QLC NAND als neue NAND-Speichertechnologie.

Normalerweise definieren sich die verschiedenen Arten von NAND-Flash-Speichern darüber, wie viele Datenbits in einer NAND-Zelle gespeichert werden können. Daher definiert Quad-Level Cell die Speicherung von vier Bits. Andere Formen von NAND-Flash-Speichern sind Single-Level Cell (SLC), Multi-Level Cell (MLC) und Triple-Level Cell (TLC). SLC speichert ein Bit pro Zelle, MLC speichert zwei Bits und TLC speichert drei Bits pro Zelle.

Neben der Möglichkeit, ein Bit pro Zelle mehr zu speichern als TLC, sind die Stärken von QLC NAND die Geschwindigkeit und die Kosten. Zu den Unternehmen, die QLC NAND verwenden sollten, gehören diejenigen, die mit serverbasierten, leseintensiven Workloads arbeiten. Unternehmen, die ältere Festplattenlaufwerke (HDDs) verwenden, würden ebenfalls erheblich von einem Upgrade auf QLC NAND profitieren. Einige ideale Anwendungsbeispiele für QLC NAND-Workloads sind das Streaming von Medienservern, die Verwendung von Datenanalyse-Tools und der Einsatz von maschinellem Lernen.

Wenn eine Organisation jedoch mit ihren aktuellen NAND-Optionen gut zurechtkommt, ist ein Upgrade nicht notwendig. Darüber hinaus sollten Benutzer, die ein Upgrade auf QLC NAND durchführen möchten, bedenken, dass QLC NAND nicht für schreibintensive Workloads geeignet und im Vergleich zu den anderen Speicherarten nicht so langlebig ist.

QLC NAND ist bei Anbietern wie Intel, Samsung, Micron Technology und Adata Technology erhältlich.

Funktionsmerkmale von QLC NAND

Zu den Eigenschaften und Merkmalen von QLC NAND gehören:

  • die Fähigkeit, bis zu vier Datenbits pro Zelle zu speichern
  • bietet 33 Prozent Steigerung der Speicherkapazität pro Zelle im Vergleich zu TLC
  • benötigt weniger Platz
  • benötigt weniger Energie
  • hohe Speicherdichte, die den Platz im Server-Rack erheblich reduzieren kann
  • geeignet für wenig intensive Workloads, kann 100 Schreibzyklen unterstützen
  • schnelle Lesegeschwindigkeiten für leseintensive oder leistungsbezogene Arbeitslasten.

Anwendungen für QLC NAND

Nahezu jeder Datenspeicher, der leseintensive Anwendungen unterstützt, kann QLC verwenden. QLC NAND kann für analytische Anwendungen verwendet werden, die KI, maschinelles Lernen, Deep Learning und andere Formen der Künstliche Intelligenz (KI) unterstützen. Die Daten in diesen Szenarien werden in der Regel einmal geschrieben, bevor sie für die Durchführung von Analysen verwendet werden, die einen schnellen Zugriff auf den Speicher mit großen Datenmengen erfordern.

Die Archivierung von Daten ist eine weitere potenzielle Anwendung für eine QLC-Workload. Dies gilt insbesondere, wenn ein Unternehmen Daten für KI-basierte Analysen oder BI-Anwendungen (Business Intelligence) verwendet, die Daten auswerten.

Große Rechenzentren, die Streaming-Media-Operationen unterstützen, könnten QLC auch einsetzen, um Audio- oder Videodienste schneller und effizienter an ihre Kunden zu liefern.

Eine NoSQL-Datenbank voller umfangreicher Daten und Metadaten könnte ebenfalls QLC-NAND-Flash-Laufwerke verwenden, wodurch die Anwendungsleistung gesteigert werden könnte.

Andere potenzielle Anwendungen von QLC umfassen die Verwendung von Echtzeit-Analyse und Benutzerauthentifizierung.

QLC NAND-Lebensdauer

Während QLC NAND in Bezug auf Geschwindigkeit und Speicherkapazitäten gut abschneidet, hat es eine geringe Schreibbeständigkeit und ist im Vergleich zu anderen Arten von NAND-Flash-Speichern möglicherweise langsamer. 

Schreibvorgänge beschädigen normalerweise NAND-Zellen, und daher hat eine NAND-Zelle eine bestimmte Anzahl von SSD-Schreibzyklen, die sie abschließen kann, bevor sie zu versagen beginnt. Daher ist es nicht empfehlenswert, QLC NAND bei schreibintensiven Arbeitslasten zu verwenden.

Die Anzahl der Schreibvorgänge, die eine NAND-Zelle ausführen kann, bevor sie ausfällt, ist für jeden NAND-Flash-Speichertyp unterschiedlich, und daher hat jeder Typ eine andere Lebensdauer. SLC-Festplatten unterstützen bis zu etwa 100.000 Schreibzyklen, MLC unterstützt bis zu etwa 10.000 Schreibzyklen und TLC unterstützt 300-1.000 Schreibzyklen. QLC NAND unterstützt etwa 100 Schreibzyklen.

Durch die Verwendung von 3D-NAND - das Zellen vertikal auf bis zu 32 Schichten stapelt - kann die Anzahl der Schreibzyklen erhöht werden. Beispielsweise erhöht die Verwendung von 3D-NAND mit MLC die Anzahl der Schreibzyklen von 10.000 auf 35.000 und - bei Verwendung von TLC - von etwa 1.000 auf etwa 3.000. Die Verwendung von 3D-NAND mit QLC-NAND kann etwa 1.000 Schreibzyklen unterstützen, was viel besser ist als ohne 3D-NAND, aber im Vergleich zu den anderen Optionen immer noch zu kurz kommt.

Es gibt jedoch Möglichkeiten für Anbieter, die geringe Anzahl von Schreibvorgängen, die QLC NAND bewältigen kann, zu umgehen. Mit Wear-Leveling können Daten so angeordnet werden, dass Schreib- und Löschzyklen gleichmäßig auf die Speicherblöcke in einem Laufwerk verteilt werden. Dieser Prozess verlängert die Lebensdauer eines QLC NAND-Laufwerks.

Über-Provisionierung wird auch verwendet, um die Lebensdauer eines QLC-NAND-Laufwerks zu verlängern. Bei der dieser Strategie wird einem Laufwerk zusätzliche Kapazität hinzugefügt, die jedoch nicht als Speicher zur Verfügung gestellt wird. Durch die zusätzliche Kapazität können Schreib- und Löschzyklen über eine größere Anzahl von NAND-Flash-Blöcken über die Zeit verteilt werden. Dieses Verfahren erhöht die Lebensdauer eines QLC-NAND-Laufwerks und bietet mehr Platz für die Datenverwaltung, wodurch auch die Leistung verbessert wird.

Vor- und Nachteile von QLC NAND

QLC NAND hat spezifische Vor- und Nachteile, die bei der Entscheidung, ob es in einer Umgebung implementiert werden soll, berücksichtigt werden sollten. Zu den Vorteilen von QLC NAND gehören:

  • mehr Speicherkapazität als SLC, MLC und TLC NAND
  • schnelle Lesegeschwindigkeiten
  • geringere Kosten pro Gigabyte
  • geringerer Stromverbrauch als eine HDD
  • kann die Desktop-Leistung beim Austausch älterer HDDs verbessern

Die Nachteile der Verwendung von QLC NAND liegen in seiner relativ schwachen Lebensdauer; sie umfassen:

  • Die Anzahl der Schreibzyklen, die ein QLC-NAND-Laufwerk bewältigen kann, ist viel geringer als bei SLC- und MLC-Laufwerken.
  • QLC NAND-Laufwerke verschleißen schneller als SLC- und MLC-Laufwerke.
  • Es gibt keine Verbesserung der Lebensdauer; sie ist fast gleich der von TLC.
  • Die Kapazität steigt mit jedem NAND-Upgrade um immer weniger.
Diese Definition wurde zuletzt im Januar 2020 aktualisiert

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