Toshiba обещает повышенную износоустойчивость 3D QLC NAND: 1000 циклов перезаписи

На прошедшей неделе компании Toshiba и Western Digital объявили о планах представить 3D QLC NAND флеш-память, способную хранить четыре бита данных в одной ячейке. QLC-память обсуждается в индустрии вот уже несколько лет, но многие ставили под сомнение целесообразность её использования вследствие крайне низкой потенциальной износоустойчивости. Судя по всему, Toshiba удалось радикально увеличить износоустойчивость QLC NAND флеш-памяти примерно до уровня TLC NAND.

Первые микросхемы 3D QLC NAND компании Toshiba будут иметь ёмкость 768 Гбит (96 Гбайт) и использовать 64 слоя, как микросхемы поколения BiCS3 ёмкостью 256 и 512 Гбит, выпущенные в 2016 и 2017 годах. Toshiba не публикует какой-либо дополнительной информации о своих чипах памяти типа 3D QLC NAND, например размер страниц и блоков, количество плейнов, скорость передачи данных по интерфейсу и т. д. Впрочем, можно с уверенностью сказать, что скорость будет достаточно высокой для того, чтобы создавать конкурентоспособные твердотельные накопители в конце 2018 – начале 2019 года (временной отрезок указан предположительно). Говоря о приложениях, для которых Toshiba планирует использовать 3D QLC NAND флеш-память, компания упоминает корпоративные и потребительские SSD, планшеты и карты памяти.

Помимо намерения начать производство памяти типа 3D QLC NAND ёмкостью 768 Гбит для вышеупомянутых устройств, наиболее интересной частью анонса Toshiba является спецификация её износоустойчивости. По заявлениям компании, микросхемы 3D QLC NAND ориентированы на ~1000 циклов программирования/стирания (program/erase cycles, P/E cycles). Подобные показатели близки к таковым у TLC NAND флеш-памяти и значительно выше, чем ожидаемое (100–150) количество циклов перезаписи/стирания ожидаемого от QLC специалистами отрасли в последние годы.

Неясно, как именно Toshiba удалось увеличить износоустойчивость своей 3D QLC NAND флеш-памяти на порядок по сравнению с первоначально прогнозируемой. Как известно, обработка сигнала 3D TLC NAND уже очень сложна, ведь ячейка содержит восемь уровней заряда. Обработка сигнала 3D QLC NAND будет ещё сложнее, ведь каждая ячейка должна различать уже 16 уровней заряда.

Самый простой способ справиться с этим — увеличить размер ячейки: имея больше электронов на уровне логики легче обеспечить сохранность данных, а также читать и писать в ячейки. Тем не менее, индустрия находится в ситуации, когда все компании конкурируют между собой в области плотности записи на мм² и себестоимости, потому переход на «толстый» технологический процесс может иметь как позитивные, так и негативные последствия. В определённых случаях «толстый» техпроцесс уничтожит все преимущества от архитектуры QLC.

Кроме того, чтобы справиться с ошибками чтения из памяти QLC, SSD на базе такой памяти должны применять контроллеры с очень продвинутыми возможностями в области коррекции ошибок (ECC). Toshiba имеет собственный метод исправления ошибок QSBC (Quadruple Swing-By Codes), который, по её утверждениям, превосходит LDPC (код с малой плотностью проверок на чётность), который сегодня широко используется для TLC-накопителей. Однако существует множество реализаций LDPC, и неизвестно, какие из них имела в виду Toshiba для сравнения с QSBC. Кроме того, существуют и другие методы ECC, которые часто обсуждаются на различных промышленных мероприятиях (таких как Flash Memory Summit), поэтому Toshiba может использовать любой или ни один из них. Единственное, что компания сообщает о своем методе коррекции ошибок чтения, это то, что он сильнее 120 бит/1 Кбайт LDPC, используемого для TLC-накопителей в настоящее время. В любом случае, если утверждение Toshiba о 1000 циклах перезаписи/стирание верно, это означает, что компания знает, как решить проблемы с выносливостью и обработкой сигналов.

Основным преимуществом QLC NAND флеш-памяти перед TLC и MLC является повышенная плотность хранения данных при идентичной площади микросхемы (разумеется, последняя не указана для 768-Гбит чипа). В прошлом году Toshiba и Facebook рассказали о создании исследовательского твердотельного накопителя на базе памяти типа QLC ёмкостью 100 Тбайт. Данный SSD предлагалось использовать для приложений типа WORM (write once, read many — однократно записанное, многократно читаемое), представляющих собой архив «холодных» данных с частым доступом. Судя по всему, первыми устройствами, которые будут использовать 3D QLC NAND, станут сделанные на заказ SSD огромных объёмов, а также карточки памяти (не зря стандарты SD 5.0 и выше поддерживают размеры блоков до 512 Мбайт). Для подобных приложений количество циклов перезаписи/стирания не столь критично, как объём.

Toshiba начала поставлять образцы своих 768-Гбит компонентов 3D QLC NAND флеш-памяти своим клиентам в прошлом месяце, чтобы обеспечить разработку SSD-контроллеров и самих накопителей. Принимая во внимание время разработки и квалификации, Toshiba планирует начать серийно выпускать микросхемы 3D QLC NAND поколения BiCS3 примерно в то же время, когда стартует массовое производство 3D NAND следующего поколения — BiCS4. Таким образом, речь идёт о 2018 годе, но более подробной информации на сегодняшний день нет.