QLC y TLC: Rendimiento, capacidad y beneficios para el Almacenamiento en Centros de Datos

El avance constante dentro de la tecnología de almacenamiento ha impulsado una impresionante progresión en las memorias flash NAND, desde las celdas de nivel único (SLC) hasta las emergentes celdas de quíntuple nivel (PLC). Aunque algunos profesionales de TI pueden ver esta evolución como un proceso monótono y progresivo en busca de mejoras, en realidad existen diferencias significativas entre las tecnologías que permiten la coexistencia de múltiples generaciones en un centro de datos moderno.

Las tecnologías de memoria flash ofrecen una alta densidad de almacenamiento y destacan por su capacidad para satisfacer las demandas cada vez más exigentes de aplicaciones y cargas de trabajo. Los factores clave, como rendimiento, confiabilidad, durabilidad, vida útil y costo, han generado brechas significativas entre las diversas formas de memoria. Por esta razón, actualmente se encuentran en el mercado tecnologías como las celdas de múltiples niveles (MLC), celdas de triple nivel (TLC) y celdas de cuádruple nivel (QLC)

En este artículo, nos enfocaremos en el intercambio fundamental entre rendimiento y capacidad al comparar dos de las tecnologías de mayor densidad, QLC vs. TLC. Al entender las diferencias clave entre estas tecnologías, los profesionales de TI y administradores de centros de datos podrán tomar decisiones sobre qué tecnología se adapta mejor a sus necesidades específicas, optimizando así el rendimiento y la eficiencia en el almacenamiento de datos en un entorno empresarial actual.

Profundicemos en los conceptos entre TLC y QLC.

Las celdas de memoria flash funcionan mediante la carga eléctrica atrapada en una placa o capa aislante para modular el flujo de corriente en un transistor. Las dos estructuras más comunes son las celdas de puerta flotante y las de trampa de carga, que rodean una capa de almacenamiento, ya sea poli silicio en la puerta flotante, o nitruro de silicio en la trampa de carga, con una capa aislante que separa los electrones almacenados. En cada caso, la carga almacenada en la puerta flotante afecta el voltaje a aplicar a una puerta de control para permitir que fluya corriente por el canal del transistor, para encender o apagarlo. En SLC, solo hay un umbral de voltaje, y el transistor está simplemente encendido o apagado.

Es natural pensar que QLC, con 4 bits por celda, representa una evolución que aumenta la densidad de la memoria flash en un impresionante 33%, y podría considerarse como un reemplazo completo de TLC, con 3 bits por celda, especialmente en aplicaciones que requieren almacenamiento de alta capacidad. La tecnología TLC ha experimentado mejoras significativas en durabilidad y rendimiento, lo que ha permitido que ambas tecnologías de NAND encuentren roles distintos y complementarios en el panorama del almacenamiento.

En lugar de un voltaje de umbral único, TLC tiene siete, más el estado cero, para permitir el almacenamiento de 3 bits por celda, es decir:

  • 000 (estado de voltaje más bajo).
  • 001.
  • 010.
  • 011.
  • 100.
  • 101.
  • 110.
  • 111 (estado de voltaje más alto).

De manera similar, QLC puede contener 16 estados de carga únicos en su puerta flotante, lo que corresponde a 16 niveles de umbral de voltaje que se traducen en 4 bits por celda: 0000, 0001, 0010, … 1111. Dado los pequeños voltajes de suministro, típicamente 3.3 voltios, cambiar de TLC a QLC efectivamente reduce a la mitad la diferencia de umbral entre los niveles de bits, lo que aumenta significativamente la exposición al ruido, las variaciones del proceso y los defectos del chip.

Los discos con memoria QLC, redujeron el precio de las unidades de almacenamiento, pero también disminuyeron su resistencia a ciclos de escritura y afectaron el rendimiento. Las unidades con memoria TLC son generalmente una opción más interesante debido a su mejor resistencia a ciclos de escritura y un valor equilibrado en precio-rendimiento. Las unidades QLC son adecuadas para almacenar archivos pesados a largo plazo sin someterlas a ciclos frecuentes de escritura. La elección entre QLC y TLC debe basarse en el tipo de uso previsto para la unidad SSD

Principales diferencias entre QLC y TLC

  • Tecnología de celdas: QLC almacena 4 bits por celda, mientras que TLC almacena 3 bits por celda.
  • Capacidad de almacenamiento: QLC ofrece una mayor capacidad de almacenamiento por chip en comparación con TLC debido a la mayor cantidad de bits por celda.
  • Durabilidad y resistencia: TLC generalmente tiene una mayor resistencia a ciclos de escritura en comparación con QLC, lo que lo hace más adecuado para cargas de trabajo con escrituras frecuentes e intensivas.
  • Rendimiento: TLC tiende a tener un mejor rendimiento en comparación con QLC, especialmente en operaciones de escritura y cargas de trabajo que requieren un acceso rápido a los datos.
  • Precio: Las unidades QLC suelen ser más económicas en términos de costo por capacidad en comparación con las unidades TLC, lo que las convierte en una opción atractiva para el almacenamiento de grandes volúmenes de datos.

El equilibrio entre rendimiento y resistencia

La tecnología de almacenamiento nunca ofrece algo sin pedir nada a cambio; buscar mayores densidades suele implicar sacrificar características y rendimiento en otras áreas. En el caso de la evolución de las celdas de memoria NAND flash, se ha logrado una mayor densidad incorporando más bits por celda, pero esto se traduce en una menor velocidad de E/S, mayor latencia de lectura y menor resistencia.

Este intercambio entre rendimiento y resistencia, en comparación con capacidad y costo, es la razón por la que algunos sistemas de almacenamiento todavía utilizan dispositivos SLC. La durabilidad de los dispositivos SLC los hace ideales para cargas de trabajo con escritura intensiva, como las aplicaciones de procesamiento de transacciones. Sin embargo, con el surgimiento de nuevas aplicaciones en aprendizaje automático, análisis de Big Data y transmisión de medios, hay un aumento de cargas de trabajo que se centran en la lectura de datos, lo que minimiza la importancia de la durabilidad del flash.

Es importante destacar que las celdas de almacenamiento de las tecnologías NVM no se deterioran por la lectura, sino durante las escrituras, cuando se deben borrar y luego reescribir con nuevos o modificados datos. Este proceso ejerce presión sobre los elementos electrónicos subyacentes de las celdas de flash, acortando gradualmente su vida útil con cada ciclo de borrado/escritura de flash (escritura).

Sigamos hablando de la durabilidad del disco frente a escritura.

Los dispositivos NAND Flash utilizan tecnología de semiconductores con una cantidad finita de datos que pueden ser escritos en el dispositivo, conocida como «Resistencia a Escritura» o Límite Máximo de Uso. Esta resistencia se mide mediante escrituras aleatorias de 4KiB realizadas al 100% en todo el SSD. La Unidad de Escrituras por Día (DWPD) es una métrica que se basa en escrituras aleatorias de 4KiB al 100% durante cinco 5 años, representando la cantidad máxima de datos que se pueden escribir en el dispositivo antes de alcanzar el límite de resistencia a escritura.

Comparar cuidadosamente las especificaciones de DWPD entre tipos de dispositivos es muy importante porque es una medida relativa que depende de la capacidad total de la unidad. Por ejemplo, un SSD TLC de 960 GB con una clasificación de 1 DWPD tiene una resistencia general similar a una SSD QLC de 1.92 TB con una clasificación de 0.5 DWPD para una carga de trabajo específica. Aunque la especificación QLC DWPD es menor, la cantidad total de datos que se pueden escribir por día es la misma para ambos dispositivos. Por lo tanto, para cargas de trabajo que casi exclusivamente leen datos, el dispositivo QLC es una mejor opción debido a su capacidad aumentada.

¿Qué cargas de trabajo son las más adecuadas para cada caso?

El equilibrio entre rendimiento y resistencia es crucial al seleccionar entre las tecnologías QLC y TLC, y cada una tiene aplicaciones específicas en las que destaca:

Tecnología QLC:

  • Almacenamiento de contenido pesado: Las unidades QLC son ideales para almacenar grandes cantidades de datos no estructurados, como archivos de medios, imágenes, videos y documentos de tamaño considerable, gracias a su alta capacidad y menor costo por bit.
  • Archivos de respaldo y copias de seguridad: Debido a su capacidad aumentada, las unidades QLC son una excelente opción para mantener archivos de respaldo y copias de seguridad a largo plazo, especialmente para datos que no requieren escrituras frecuentes.
  • Almacenamiento de larga duración: Los archivos que no se acceden con frecuencia, pero deben mantenerse durante largos períodos, como registros de cumplimiento, historiales médicos y documentos legales, pueden ser almacenados eficientemente en unidades QLC.
  • Análisis de Big Data y aprendizaje automático: Las aplicaciones donde el acceso a datos es predominantemente de lectura y las operaciones de escritura son menos frecuentes, como el análisis de grandes volúmenes de datos y tareas de aprendizaje automático, pueden aprovechar la alta capacidad y menor costo de las unidades QLC.
  • Almacenamiento en la nube y centros de datos: En entornos empresariales donde la capacidad de almacenamiento es crítica, como en la nube y centros de datos, las unidades QLC ofrecen una solución eficiente para el almacenamiento de datos masivos.

Tecnología TLC:

  • Aplicaciones de bases de datos: Las unidades TLC ofrecen un alto rendimiento sólido y una buena resistencia a ciclos de escritura, lo que las convierte en una elección adecuada para bases de datos que requieren un acceso rápido y frecuente a datos, y que pueden experimentar una carga de escritura intensiva.
  • Virtualización de servidores: En entornos de virtualización, las unidades TLC pueden mejorar significativamente el rendimiento de las máquinas virtuales al reducir los tiempos de acceso a datos, lo que es esencial para una experiencia fluida en el funcionamiento de múltiples sistemas virtuales.
  • Aplicaciones empresariales: Las aplicaciones empresariales críticas, como sistemas de gestión empresarial y software ERP, pueden beneficiarse de los tiempos de carga más rápidos y un rendimiento más predecible que ofrecen las unidades TLC.
  • Estaciones de trabajo y estaciones de diseño: Para tareas intensivas en datos, como diseño gráfico y edición de video, las unidades TLC aceleran los flujos de trabajo y ofrecen un rendimiento óptimo para mejorar la productividad.
  • Servidores de correo electrónico y B.B.D.D. de correo electrónico: Las unidades TLC son ideales para mejorar el rendimiento de los servidores de correo electrónico, que a menudo experimentan una carga de escritura intensiva debido a la naturaleza de las comunicaciones electrónicas.
  • Aplicaciones de análisis de datos: En entornos donde se realizan análisis de datos complejos y consultas de bases de datos, las unidades TLC agilizan el proceso y mejoran la eficiencia general, lo que es esencial para una toma de decisiones efectiva.

Antes de terminar, es impresionante ver cómo la evolución del almacenamiento flash NAND ha dado lugar a la coexistencia de tecnologías como TLC y QLC en el mercado. Mientras que TLC se destaca en aplicaciones empresariales con mayor resistencia y rendimiento, QLC ofrece una alta capacidad de almacenamiento para alojar contenido pesado y archivos de respaldo. Al considerar el Durability Write Per Day (DWPD) al elegir entre ambas opciones para entornos de escritura intensiva, los profesionales de TI toman decisiones informadas para optimizar el rendimiento y eficiencia en el almacenamiento de datos, asegurando soluciones adecuadas para diversas necesidades empresariales en el centro de datos moderno. Estas tecnologías de memoria flash NAND continúan avanzando, y es emocionante pensar en las futuras innovaciones que seguirán mejorando la forma en que almacenamos y gestionamos datos en un mundo cada vez más digital.

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