'Toekomst SSD's weinig rooskleurig'

Volgens de afstuderende student Laura Grupp van de Universiteit van Californië wordt de kans groot dat komende steeds meer SSD's fouten gaan vertonen en de latency van schrijven en lezen naar SSD's verder toeneemt. Dat komt doordat de chips steeds kleiner worden.

Hoewel de capaciteit toeneemt en de kosten per gigabyte sterk dalen "is iedere andere eigenschap van SSD's aan verval onderhevig", zegt Grupp.

"Dit maakt de toekomst van SSD's onzeker: Hoewel de groeiende capaciteit van SSD's en de hoge IOP-waarden ze aantrekkelijk maken voor veel toepassingen, maakt de afname in prestaties die nodig is om de capaciteit te vergroten het lastig voor SSD's om ingezet te blijven worden als technologie voor sommige toepassingen", schrijft Grupp als onderzoeksleider in een onlangs gepubliceerd onderzoekspaper (pdf).

45 SSD's onderzocht

Grupp onderzocht samen met twee studiebegeleiders 45 verschillende NAND flash-drives die geproduceerd waren via verschillende procede's, variërend van 72 nanometer (nm) circuits tot de huidige 25 nm-technologie. De schijven waren afkomstig van zes verschillende leveranciers.

De testen die werden uitgevoerd voor de schrijfsnelheid toonden aan dat er dramatische, maar tegelijkertijd voorspelbare afwijkingen optraden in latency (vertraging). Zodra de NAND flash vaker beschreven werd, ging ook de foutmarge sterk omhoog. Single-level cell (SLC) NAND presteerde het beste in de tests, terwijl multi-level cell (MLC) en vooral triple-level cell (TLC) NAND de slechtste resultaten produceerden.

In twaalf jaar naar 6,5 nanometer

De onderzoekers namen hun empirische resultaten en extrapoleerden deze naar 2024, het jaar waarin volgens development roadmaps de circuitgrootte van NAND flash slechts 6,5 nanometer zal bedragen. Op dat moment zal de lees/schrijf latency van MLC-flash verdubbelen en bijna verdriedubbelen voor TLC-flash.

De foutmarge loopt op met een factor van meer dan drie, becijferden de onderzoekers. "We moeten gaan kiezen tussen capaciteit of prestaties", zegt Grupp.

De onderzoekers gebruikten op PCIe-gebaseerde flashkaarten met een doorvoersnelheid van 400MBps, gebaseerd op de Open NAND Flash Interface (ONFI) specificatie met een standaard interface. Er werd bewust niet gekozen om gebruik te maken van de eigen flash-controllers van Intel, OCZ en Fusion-io, omdat deze de resultaten zouden beïnvloeden door gebruik van foutcorrectie en optimalisaties.

Omdat SSD's geen bewegende onderdelen kennen, is de tijd die het kost om data te lezen en te schrijven 100 keer sneller dan die van die van harde schijven, die lees/schrijf-koppen gebruiken om de data op een ronddraaiende platter te lezen of te schrijven. Toch wordt de prestatiekloof door de steeds kleinere NAND flash-circuits steeds kleiner, zegt Grupp.

Wanneer NAND-geheugen in 2024 volgens een procedé van 6,5nm geproduceerd kan worden, kunnen TLC-chips tot 16TB geheugen bevatten. Vanwege de forse prestatieproblemen die optreden bij 6,5nm, heeft het "geen zin om verder te kijken. 2024 is het eindpunt".

Teveel cellen met data op een klein oppervlak

Het probleem is dat de transistors in NAND flash-chips steeds kleiner worden, waardoor steeds meer data in dezelfde chip geplaatst kan worden. Door de kleinere cricruits, worden de afscheidingen tussen de cellen (stukjes data) op een chip ook steeds kleiner, waardoor er onderling data kan gaan lekken. Dit veroorzaakt foutjes, die moeten worden hersteld via foutherstelcode.

De eerste SSD's sloegen maar 1 bit aan data binnen een cel op, wat toen bekend stond als SLC-flash. Hierna kwam MLC-flash, wat twee bits per cel opsloeg. Onlangs zijn leveranciers begonnen met de productie van TLC-flash, waarmee drie bits per cel opgeslagen kunnen worden. Het meest voorkomende type NAND flash blijft MLC, maar de verwachting is dat dit langzaam verschuift naar TLC, omdat leveranciers steeds grotere SSD's willen kunnen leveren.

Levensduur SSD's blijft beperkt

Flash-geheugen wordt naar verloop van tijd onbruikbaar als de data te vaak gewist moet worden om opnieuw te kunnen overschrijven. Speciale firmwares in moderne controllers zorgen ervoor dat data zoveel mogelijk verspreid over het flash-geheugen worden geschreven, maar uiteindelijk blijft iedere SSD een met een gelimiteerd aantal schrijf-acties kampen. Dit aantal acties wordt gemeten in een P/E-waarde.

SLC's hebben de hoogste betrouwbaarheid en duurzaamheid, met 50.000 tot 100.000 program/erase (P/E) cycli. MLC-NAND kan 5.000 tot 10.000 keer gewist worden, terwijl dat bij TLC-NAND maar 500 tot 1000 keer kan.

"Dat is een vrij dramatische daling", zegt Grupp. "We zijn eraan gewend dat technologie steeds beter wordt, maar bij NAND-flash zullen we keuzes moeten gaan maken."