Anasayfa Makale SSD NAND Teknolojisi: SLC, MLC, TLC ve QLC Nedir?

SSD NAND Teknolojisi: SLC, MLC, TLC ve QLC Nedir?

SSD sürücüler günümüzde bilgisayarların vazgeçilmez bir parçası hale geldi. Uygulamaların ve işletim sisteminin çok daha hızlı açılması, genel verimliliğin daha fazla olması ve mekanik disklere göre daha dayanıklı olmaları, SSD’lerin popülaritesini oldukça artırdı. Peki ama neden bazı SSD’ler diğerlerinden daha pahalı? Bunun sebebini de bu yazımızda bulacaksınız.

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. İşte bu yüzden SSD içinde yer alan NAND türlerinin performansı nasıl önemli ölçüde etkilediğine bakacağız.

SSD’nin içinde ne var?

SSD
Tipik bir SATA SSD içindeki yongalar ve kontrolcü.

 

SSD’ler genel olarak 3 kısımdan oluşuyor:

  • Birinci kısım NAND flash yongalar olarak adlandırılan ve resimde en çok alanı kaplayan bellekler. Burada verileriniz depolanıyor. NAND yongalar, verileri saklamak için elektrik bağlantısına ihtiyaç duymaz.
  • DRAM ise sonradan erişim için bilgileri ön bellekte tutar ve bu işlem için elektriğe ihtiyaç duyar. DRAM, resimde sarı ile çevrelenmiş kısımdır. Her SSD’de yer almaz.
  • Kontrolcü ise bilgisayarınız ile NAND yongalar arasındaki iletişimi sağlayan ana ileticidir. İçerdiği firmware ile SSD’nizi yönetmeyi sağlar.

NAND Teknolojisi ve 3D NAND Flaş Türleri

NAND flaş bellekte veriler, dijital sinyaller (bitler) olarak temsil edilir ve NAND bellek hücrelerinde depolanır. Bu hücreler elektrikle açılır ya da kapatılır. SSD’nizde depolanan veriye göre bunlar belirli bir düzen alır. Yongalar çok sayıda hücreden oluşur. Hücrelerde depolanan bit sayısı ise kullanılan belleğin türünü belirler.

  • Tek seviyeli hücre yani Single Level Cell (SLC) flaş bellek, hücre başına bir bit içerir. SLC’nin sadece düşük kapasiteler için mevcut olması da bu yüzdendir.
  • Çok seviyeli hücre yani Multi Level Cell (MLC) ise hücre başına iki bit ile kapasiteyi iki katına çıkarır.
  • Üç seviyeli hücre yani Triple-level cell (TLC) tahmin edebileceğiniz gibi hücre başına üç bit içerir.
  • Dört seviyeli hücre de (Quad-level cell, QLC) dört bit barındırıyor. Yani SLC yongalara kıyasla kapasitesinin dört katına çıkmasına imkan tanıyor.
SSD'nin İçi
SandForce kontrolcülü bir SSD.

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 de QLC’den daha hızlı olmasını 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.

SLC (Single Level Cell) Nedir?

SLC yongalar, okuma ve yazma durumlarında en kararlı yanıtı verir ve çok sayıda okuma/yazma döngüsünde daha dayanıklı kalır. Bu yongalarda 90.000 ile 100.000 civarında okuma/yazma döngü ömrü beklenir. Kullanım ömrü sebebiyle iş dünyasında başarıya ulaşmıştır. Yüksek maliyeti ve düşük depolama kapasitesi nedeniyle herhangi bir ev bilgisayarında bu tarz bir NAND yongası görmeniz pek mümkün değildir.

Avantajları:

  • Uzun ömürlü olması ve daha çok döngü imkanı sunması
  • Daha az okuma/yazma hatası ile daha kararlı olması
  • Çok geniş sıcaklık değerlerinde çalışabilmesi

Dezavantajları:

  • Piyasadaki en pahalı NAND yongası olması
  • Düşük kapasiteli çözümler için uygun olması

Sunucularda olduğu gibi ağır okuma/yazma gücü gerektiren alanlarda kullanımı tavsiye edilir.

eMLC (Enterprise Multi Level Cell) Nedir?

eMLC de bir tür MLC yongasıdır, ancak iş dünyası için yeniden düzenlenmiştir. Genel olarak daha iyi performans ve kararlılık sunar. Okuma/yazma döngüsü ömrünün 20.000 ile 30.000 arasında olması beklenir. eMLC, SLC için düşük maliyetli bir alternatif olarak ön plana çıkar.

Avantajları:

  • İş kullanımı için SLC’ye ucuz bir alternatif olması
  • Standart MLC’ye göre daha iyi performans ve kararlılık sunması

Dezavantajları:

  • Performans açısından SLC NAND yongaları yakalayamaması

Yine sunucularda olduğu gibi ağır okuma/yazma gücü gerektiren alanlarda kullanımı tavsiye ediliyor. Maliyetin de ön planda olduğu işletmeler için kullanılabilir.

MLC (Multi Level Cell) Nedir?

MLC yongalar SLC’ye göre daha düşük maliyetli olduğu için, birçok üretici tarafından ev kullanıcılarına yönelik ürünlerde kullanılır. Hücre başına yaklaşık 10.000 okuma/yazma döngüsü ömrüne sahiptir.

Avantajları:

  • Ev kullanıcıları için daha uygun maliyetli olması
  • TLC yongalara göre daha kararlı olması

Dezavantajları:

  • İş dünyasında kullanılan SLC’ler kadar kararlı ve performanslı olmaması

Oyuncular ve ev kullanıcıları için önerilir.

TLC (Triple Level Cell) Nedir?

Hücre başına 3 bit veri depolayan bu yongalar, üretimi en ucuz olanlardan biridir. En büyük dezavantajları ise işletme kullanım standartlarını karşılamayıp, sadece günlük kullanım için uygun olmasıdır. Hücre başına okuma/yazma döngüsü ömrünün 3.000 ile 5.000 arasında olması beklenir.

Avantajları :

  • En ucuz NAND yongası olması

Dezavantajları :

  • MLC NAND belleklere göre hücreler daha az okuma/yazma döngü ömrüne sahip. Bu yüzden bu bellekler sadece günlük kullanım için uygundur.

Düşük kullanım yoğunluğunda çalışan bilgisayar ve tablet gibi cihazlar için idealdir.

QLC Nedir?

Quad-level cell (QLC) flash bellek veya QLC SSD (katı hal sürücüsü), sabit disk sürücüleriyle (HDD’ler) eşleşen veya onlardan daha fazla terabayt başına maliyet sunan, kapasitesi optimize edilmiş bir NAND bellek teknolojisidir. Adından da anlaşılacağı gibi, QLC SSD’ler hücre başına dört bit depolayarak daha yüksek kapasitelerde NVMe performansı sunar.

QLC SSD’lerin Faydaları Nelerdir?

QLC flash belleğin ortak faydaları şunları içerir:

  • Okuma merkezli yükler için daha düşük toplam sahip olma maliyeti (TCO)
  • Daha az veri merkezi alan işgali
  • Tamamen flaş tabanlı depolamanın yaygınlaşmasıyla kapasitede üstel bir artış

Bununla birlikte, QLC SSD’ler benzer flash bellek türlerine göre daha az güvenilirdir. Bunun detayına yazının devamında değineceğiz.

QLC SSD’lerin Dezavantajları Nelerdir?

Dayanıklılık, QLC SSD’lerin başlıca dezavantajlarından biridir ve bunun nedeni, hücre başına daha fazla bit depolamanın, yazma döngüleri için çok zararlı olduğunun kanıtlanmasıdır.

Bir flaş hücreye istediğiniz kadar okuma yapabilmenize rağmen, ona her yazdığınızda, şarj tuzaklarının kayan kapı izolatörlerini biraz bozarsınız.

QLC SSD’ler güvenilir mi?

QLC SSD’ler daha düşük maliyetler ve artan kapasite ile elde ettiklerini, dayanıklılık ve güvenilirlikte kaybederler. Mevcut QLC SSD hücreleri, bozulmaya ve okunamaz hale gelmeden önce yalnızca yaklaşık 1.000 program silme döngüsüne dayanabilir. Öte yandan SLC SSD’ler bozulmaya başlamadan önce muhtemelen yüz binden fazla kez silinip yeniden yazılabilir.

SSD Seçimi

Artık oturmuş olan 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.

*Drive Writes Per Day: Günlük sürücü yazma sayısı.

Burst Performansı

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 Depth), 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 System Test’in 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 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.

%65 Kapasitede Performans

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 System Test 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. Öte yandan normal günlük kullanımda pek bir şeyin fark etmediğini not düşelim. QLC sürücülere gelince, performansın önemli bir ölçüde gerilediğini söylemek mümkün.

Tam Sürücü Testi

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 gösterebiliyor. Buna ek olarak tüketici sürücüleri için genellikle kısa süreli iş yükleri baz alınıyor.

Tüketici SDD’leri, 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.

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.

Özellikle NAS cihazlarda 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.

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.