SSD’lerde NAND Teknolojisi: TLC, QLC ve MLC

Bildiğiniz üzere piyasada tüketiciler için hazırlanan ve kurumsal düzeyde farklı SSD’ler yer alıyor. Ayrıca kimi sürücüler performansa, kimisi dayanıklılığa, bazıları da düşük bütçeye odaklanıyor. Üreticiler SSD üretiminden sonra üretimini farklı testlerden geçiriyor ve farklı derecelendirme biçimleri var.

Öte yandan ürün grubuna göre SSD’lerin içindeki NAND yongalarının tipi, kontrolcüler ve diğer bileşenler değişiklik gösterebiliyor. Dolayısıyla bir katı hal sürücüsü alırken sadece reklamı yapılan değerlere bakmak yeterli değil. Şimdi ise SSD içinde yer alan NAND türlerinin performansı nasıl önemli ölçüde etkilediğine bakacağız.

NAND flaş bellek verileri, dijital sinyaller (bitler) olarak temsil edilir ve NAND bellek hücrelerinde depolanır. Bu hücrelerde depolanan bit sayısı ise kullanılan belleğin türünü belirler. Tek seviyeli hücre (single-level cell-SLC) flaş bellek, hücre başına bir bit içerir. Çok seviyeli hücre (multi-level cell-MLC) ise hücre başına iki bit ile kapasiteyi iki katına çıkarır. Üç seviyeli hücre (triple-level cell-TLC) tahmin edebileceğiniz gibi hücre başına üç bit ve dört seviyeli hücre (quad-level cell-QLC) dört bit barındırıyor. Yani SLC yongalara kıyasla kapasitesinin dört katına çıkmasına imkan tanıyor.

SSD’ler piyasaya çıktığından beri kapasiteler daha da büyüdü. Mevcut endüstrinin hedefi depolama kapasitesini artırmakken, maliyetleri de mümkün olduğunda en aza indirmek. Bu amaç doğrultusunda SSD’ler geleneksel sabit disklerin maliyetine yavaş yavaş yaklaşıyor ve daha yoğun bellek hücreleri geliştirilmeye devam ediyor. Tahmin edebileceğiniz gibi sabit disklerin maliyetine ulaşmak için halen zamana ihtiyaç var.

Daha uygun fiyatlı ve yüksek kapasiteli sürücülere olan talep, SLC ve MLC tabanlı SSD’lerin azalmasına neden oldu. TLC artık ana akım haline geldi ve piyasada halihazırda bulunan ürünlerin çoğu TLC bellek taşıyor.

QLC için hala nispeten yeni diyebiliriz, ancak düşük maliyetlerle birlikte alıcıların talebinin artmasını bekliyoruz ve özellikle HDD’lerini tamamen yeni hızlı sürücülerle değiştirmek isteyenlerin istekleri karşılanabilir.

NAND bellek hücreleri, yıpranmadan önce yalnızca sınırlı sayıda program/silme (program/erase-P/E) döngüsüne (yazma döngüsü) sahip. Bu konuda birçok ayrıntı olsa da bu farklı bir makalenin konusu. Özetleyecek olursak, yüksek yoğunluğa sahip hücreler düşük yoğunluklu hücrelere göre daha dayanıksız. Örneğin, MLC genellikle TLC’den daha dayanıklı yapıya sahip.

Bunun yanında MLC’nin genellikle TLC’den daha hızlı olmasını ve TLC’nin QLC’den daha hızlı masını bekleyebiliriz. Ancak yeni SSD’ler, daha yavaş NAND yonganın eksikliklerini kapatmaya veya ortadan kaldırmaya yardımcı olan çoklu optimizasyon yöntemleriyle geliyor.

Buna harika bir örnek olarak, sürücünün kullanılmayan alanlarının SLC NAND olarak kullanılabileceği “SLC-caching” teknolojisini verebiliriz. Bu teknoloji çoğu bilgisayarda ve istemci bilgi işlem ortamlarında sıklıkla olduğu gibi, kısa süreli iş yükleri için çok iyi performans sağlıyor.

Olgun HDD pazarının aksine, bir SSD seçimi yaparken zorlanabilirsiniz zira piyasada çok fazla marka ve model göreceksiniz. Tüketiciler için sunulan TLC ve hatta QLC sürücüler ile genellikle etkileyici performans rakamlarımdan bahsedilirken, pratik durumlar altında incelendiğinde bu sürücülerin gerçek performans profilleri ortaya çıkıyor.

Her hedef segment grubu için yaygın olarak bulunan iki disk ve toplamda altı diski karşılaştıracak olursak:

Grup	NAND	Dayanıklılık	Fiyat
Veri Merkezi Yoğun Okuma / Giriş düzey	TLC	0.75 DWPD	0.30 dolar/GB
Tüketici / Üst düzey	TLC	0.33 DWPD	0.23 dolar/GB
Tüketici / En düşük maliyet	QLC	0.1 DWPD	0.16 dolar/GB

Not: Fiyatlar için Crucial, Intel ve Samsung markalı SSD’ler ve birçok satıcının ortalaması alındı.

Öncelikle sürücülerdeki “burst performence” terimini bir aygıtın her bir veri parçasını ayrı bir işlemde iletmek için gereken tüm adımlardan geçmeden tekrar tekrar veri ilettiği durum olarak tanımlayabiliriz.

Sürücü performansını ölçmek için popüler bir yardımcı program olan CrystalDiskMark kullanıldı. Depolamadaki kuyruk derinliği (queue depths), bir birim için bekleyen giriş/çıkış (G/Ç) isteklerinin sayısını temsil ediyor. Daha yüksek kuyruk derinlikleri ve iş parçacıkları tipik olarak daha yüksek performansla sonuçlanır, ancak çoğu tüketicinin iş yükünde girdi ve çıktı sayısı genellikle daha düşüktür. Sanal makineleri ve DB depolamayı içeren BT altyapısı, genellikle daha yüksek kuyruk derinlikleri ve iş parçacıklarına ihtiyaç duyuyor.

Dosya aktarım testleri için AJA Sistem Testi’nin sonuçlarına bakabiliriz. Bu araç, öncelikle içerik geliştiricilerin kullandığı depolama sistemlerinin yüksek çözünürlüklü akışları desteklediklerini doğrulamak için tasarlandı. Sisteme 64 GB’lık bir dosya yazıldı ve sonuçlar hemen aşağıdaki gibi. Elbette kimi kullanıcılar için bu hala hafif bir iş yükü lakin kullanıcıların büyük bir dosyayı taşıdığı bir senaryoyu temsil ediyor.

Tüm sürücü grupları, kısa ve burst tipi testlerde beklendiği gibi çok iyi sonuç verdi. Buradaki performans rakamlarına dayanarak gerçek dünya kullanımında hiçbir fark görmeyeceğiniz sonucuna varabiliriz. Yeterli SLC önbellek boyutları, daha yavaş QLC sürücülerinin bile harika performans göstermesini sağlıyor.

Önceki testler sürücüler tamamen boş durumdayken yapıldı. Bu da dinamik SLC önbelleğe alma özelliğine sahip sürücülerin daha rahat çalışmasını sağladı. Yeni testlerde her sürücü %65 kapasiteye kadar dolduruldu ve aynı 64 GB okuma/yazma iş yükü için AJA Sistem Testi kullanıldı.

Tamamen boş olduğu zamana kıyasla, kurumsal sürücüler hata payı niteliğindeki farklar sundu. Tüketici TLC sürücüleri ise başarılı yazma hızlarını korurken okuma performansında biraz daha yavaştı ve normal günlük kullanımda pek bir şeyin fark etmediğini not düşelim. QLC sürücülere gelince, performansın önemli bir ölçüde gerilediğini söylemek mümkün.

Sürücülerin kararlı durum performansını gözlemlemek için şimdi tam sürücü doldurma testine geçelim. Bu test aynı zamanda yoğun bir NAS üzerinde SSD önbelleği kullanımının iş yükü performansını gösteriyor. Ayrıca test sürücüye kurtarma için herhangi bir zaman vermediğinden, sürücüdeki tüm SLC önbelleğe alma mekanizmaları tam olarak kullanılıyor.

Grafiklerde yatay eksen, yazılan depolama kapasitesinin yüzdesini temsil ediyor. Birincisi gruplar için ham hız ortalaması, ikinci ise bu testteki maksimum yüzde olarak hızı temsil ediyor.

Beklendiği gibi, burada en çok kurumsal ortamlara yönelik diskler kendini göstermiş. Tüketici TLC sürücüleri hızlı bir şekilde çalışmaya başladı, ancak önbelleklerini kullanmaya başladıkça çöküşe geçti.

QLC sürücüler aslında oldukça büyük önbelleklerle desteklenirken daha uzun süre hızlı kalmaları sağlanıyor. Ancak bunun arkasındaki neden, önbellek dolduğunda ve NAND belleğe doğrudan yazıldığında düşük yazma hızlarının önüne geçmek. Testlerde ise HDD’lerden daha kötü sıralı yazma hızları görüyoruz.

Öte yandan burada kullanılan kurumsal disklerin çoğunlukla giriş seviyesi modellerden oluştuğunu ve yoğun okuma gerektiren iş yükleri için sınıflandırılmış olduğunu not düşelim. Ancak yine de istikrarlı ve sürdürülebilir performans sağlayabiliyorlar. Daha pahalı ve üst düzey modeller genellikle daha yüksek yazma hızları sunabiliyor ve DWPD (dayanıklılık) değerleri daha yüksek.

Sonuç ve Değerlendirme

SSD’ler için reklamı yapılan performans rakamlarını detaylıca kontrol etmek her zaman önemlidir. Test yöntemleri ve koşulları, üreticiler arasında farklılık gösterebilir ve tüketici sürücüleri için genellikle kısa süreli iş yükleri baz alınıyor.

Tüketici SDD’leri, tüm her şeye rağmen PC veya NAS depolama sisteminizi önemli ölçüde hızlandırmak için hala oldukça uygun seçenekler sunuyor. Sabit disklere kıyasla her ne kadar yüksek performanslı olsalar da, bu sürücülere daha ağır ve uzun işler yüklendiğinde performansları bazen önemli ölçüde düşebiliyor.

QLC sürücüler amaçları için, yani yoğun okuma iş yüklerinde HDD’lerin yerini alacak düşük maliyetli sürücülere göre mükemmel. Bu SSD’ler, en yüksek performans değerleri baz alındığında üst düzey TLC tabanlı sürücülere bile rakip olabilirken, kararlı durumdaki performansları bazen yeterli olmayabiliyor.

TLC NAND hem üst düzey tüketici hem de kurumsal disklerde hızlı bir şekilde benimsenmeye başladı. Öyle ki her zaman en iyisini isteyenler bu yongalarla desteklenen SSD modellerine yönelebilir.

NAS’ta kullanım için kurumsal sınıf sürücülerin önemli oldukça açık. Daha yüksek dayanıklılık derecelerinin yanı sıra, özellikle sanal makineler ve diğer kritik sistemlere depolama sağlarken performans tutarlılığı son derece önemli.