Los fabricantes de almacenamiento trabajan constantemente para mejorar la capacidad y reducir los costos. En ninguna parte es esto más evidente que con el almacenamiento flash, donde las capacidades han aumentado de gigabytes a 20 TB y más. El rendimiento está muy por delante de lo que es posible con un disco giratorio, y el costo por GB podría superar pronto al HDD.
El flash de celda de nivel penta (PLC) es la última generación de almacenamiento de estado sólido basado en la tecnología 3D NAND. Utiliza cinco bits por celda para almacenar datos, con la promesa de mayores volúmenes en un solo chip y, por lo tanto, esperan los fabricantes, un menor costo por GB.
Sin embargo, PLC flash significa asumir una serie de compromisos. Estos incluyen una menor durabilidad, controladores más complejos y, como resultado, un menor rendimiento. Es probable que esto limite los casos de uso de flash de PLC, especialmente en sus primeros años.
¿Qué es la memoria flash de PLC?
La primera generación de almacenamiento flash NAND utilizaba tecnología de celda de un solo nivel (SLC). Este medio, que ahora está en gran parte obsoleto, solo podía almacenar un estado, un 0 o un 1, por celda. Luego, la industria desarrolló una memoria celular de varios niveles, que podía almacenar cuatro estados o resultados de conmutación.
Las celdas de triple nivel (TLC) aumentaron el número de interruptores de voltaje a siete. QLC, con cuatro bits por celda, tiene 16 estados o 15 conmutadores. Este es actualmente el almacenamiento NAND de mayor capacidad.
Actualmente, los proveedores de almacenamiento ofrecen ampliamente SSD QLC de 30 TB, mientras que algunos fabricantes, como Pure Storage, envían unidades de 48 TB patentadas.
Esto pone la capacidad de la memoria flash por delante incluso de las unidades de disco duro convencionales más grandes, y la memoria flash de PLC podría impulsar las capacidades mucho más. Alex McMullen, CTO internacional de Pure, pronostica que habrá sistemas con capacidad de 300 TB “en los próximos 10 años”.
El desarrollo de flash PLC (y QLC) ha sido impulsado por mejoras en los controladores de almacenamiento y software que administran los voltajes más pequeños utilizados para escribir datos.
Dado que 3D NAND se ha convertido en la norma en la arquitectura de chips, los fabricantes han agregado capas sin hacer que las puertas sean más pequeñas, convirtiendo a QLC en una propuesta práctica y abriendo el camino a PLC flash.
Desafíos de voltaje, errores y durabilidad
No obstante, el cambio a flash PLC de mayor capacidad plantea desafíos; el principal de ellos es el número de niveles de voltaje en el chip.
Una unidad flash de PLC, con cinco bits por celda, contiene 32 niveles de voltaje, lo que hace que la diferencia entre voltajes sea muy pequeña. Esto es más complicado para que el controlador lea con precisión, hace que el almacenamiento sea potencialmente menos estable y podría afectar la E/S, ya que los controladores y el software de corrección de errores se ven obligados a trabajar más.
“El aumento máximo en la densidad de bits de QLC a PLC será del 20 %, pero conllevará una carga de costos mucho mayor con respecto a la ingeniería en torno a la complejidad esperada, el menor rendimiento y la fragilidad del medio”, dice McMullen de Pure.
Con QLC, la diferencia entre los niveles de carga es de alrededor del 6 %, pero con PLC cae al 3 %. Esto requiere una corrección de errores mucho más poderosa que MLC o TLC flash, por ejemplo.
“PLC tiene más bits en la misma área de silicio, por lo que debería ser de mayor capacidad, pero [at the cost of] confiabilidad y retención de datos”, dice Joseph Unsworth, vicepresidente de tecnologías y tendencias emergentes, flash NAND, SSD y SSA en Gartner. “No sabemos la densidad o capacidad NAND porque no hay productos disponibles comercialmente en el mercado hoy en día”.
Los diseñadores de chips también tendrán que incorporar más redundancia. Con otros tipos de flash, los fabricantes ya agregan más capacidad a los módulos para cubrir las celdas que se desgastan. Es probable que esta sobrecarga sea mayor con PLC.
Hasta el momento, no hay cifras de E/S publicadas para flash de PLC, ya que los fabricantes aún no han lanzado muestras, pero los proveedores de almacenamiento esperan un impacto en el rendimiento, y luego hay dudas sobre cuánto tiempo durará el flash de PLC.
“Penta será menos duradero. Esa es la mecánica innegable de la misma. A medida que el delta entre cada nivel de carga se vuelve más pequeño, debe programar con más cuidado, por lo que funciona más lentamente”, dice McMullen de Pure.
Casos de uso de PLC
El rendimiento y la relación entre el costo y la capacidad determinarán dónde y cómo las empresas utilizan la memoria flash de PLC.
Los primeros usos parecen estar preparados para incluir archivado y otras aplicaciones de almacenamiento a largo plazo que no dependen de altas velocidades o frecuencias de escritura, pero donde la capacidad es importante. Esto podría extenderse a otras áreas que usan grandes cantidades de datos, como los sistemas de entrenamiento de aprendizaje automático.
Se espera que PLC flash sea más económico que QLC, aunque Gartner espera que el ahorro de costos sea solo de alrededor del 10%, lo que quizás no sea suficiente para atraer a los CIO a cambiar.
La adopción empresarial también dependerá de la durabilidad de los módulos flash de PLC. Las primeras versiones de QLC flash administraron alrededor de 1000 ciclos de escritura/borrado. Los chips QLC actuales al menos han duplicado eso, pero esto se compara con 100 000 ciclos o más para los diseños más duraderos basados en tecnologías flash más maduras.
Sin embargo, los ciclos de escritura/borrado importan menos para el almacenamiento a largo plazo. Y se espera que la memoria flash PLC sea mucho más eficiente energéticamente que los discos giratorios de gran capacidad. El ahorro de energía y la reducción de la huella de carbono podrían ser lo que impulse a las empresas a adoptar la tecnología PLC.
Pero el consenso entre los fabricantes y analistas es que aún faltan al menos dos años para los envíos flash de PLC a gran escala.
PLC y el futuro
PLC no es la única forma en que los fabricantes buscan expandir las capacidades de almacenamiento flash.
Los fabricantes de chips ya han demostrado las tecnologías de celdas hexa y hepta en la etapa de prototipo, con una celda flash de celda hepta que tendrá 128 niveles de carga. En teoría, es posible una celda de 10 niveles, pero la diferencia de carga sería solo del 0,1%, y eso es un verdadero desafío de ingeniería.
En cambio, los fabricantes de almacenamiento buscan agregar capas a las tecnologías existentes, como TLC y QLC. Como señala Unsworth de Gartner, un chip con un recuento de capas más avanzado siempre tendrá una ventaja de costo y rendimiento sobre un chip con más niveles pero menos capas, dado el impacto de los niveles adicionales en la durabilidad y el diseño del controlador.
“Es concebible que QLC sea lo más lejos que lleguemos, y volveremos a TLC con más capas”, dice McMullen de Pure. Con las hojas de ruta de los fabricantes de chips apuntando a 500-600 capas, PLC no es de ninguna manera la única opción para la próxima generación de almacenamiento flash de alta capacidad.