Es la era del MLC obsoleto

MLC fue la solución de oro para equilibrar el costo, la capacidad y la vida útil. La combinación perfecta entre la extremadamente alta fiabilidad del SLC y la rentabilidad necesaria para la producción en masa. Durante más de una década, la industria y los diseñadores de sistemas embebidos han confiado en la memoria flash MLC NAND. Sin embargo, el panorama del almacenamiento está cambiando todo el tiempo. Con la popularización de las tecnologías 3D NAND y TLC/QLC, el mercado principal de MLC ha entrado en la era del "fin de vida útil".

La esencia de MLC vs TLC vs QLC

MLC, TLC y QLC son tres opciones de rutas tecnológicas completamente diferentes: rendimiento VS fiabilidad primero VS costo VS capacidad primero

La diferencia central

• MLC: más estable y duradero, pero más caro
• TLC: equilibrio entre costo y rendimiento
• QLC: la mayor capacidad y el menor costo, pero la vida más corta

Notas: cuanto más bits se almacenan por unidad de memoria, menor es el costo, pero menos confiable es

Comparación de parámetros clave

Contraste de técnicas

Densidad de almacenamiento VS fiabilidad

• MLC: 4 tipos de estado de voltaje, más fácil de distinguir y más estable
• TLC: 8 tipos de estados de voltaje
• QLC: 16 tipos de estado de voltaje, extremadamente susceptible a interferencias

Impulsado por costos VS impulsado por aplicaciones

• TLC/QLC: para escenarios con alta demanda de capacidad y sensibles al costo, como SSD de consumo y almacenamiento de big data AI
• MLC: para el control industrial, la electrónica automotriz o el equipo médico y otros escenarios que escriban con frecuencia y requieren operación estable a largo plazo

Tendencia actual de la industria: la fábrica original gradualmente detiene MLC, los recursos cambian a 3D TLC/QLC, el suministro del mercado disminuye, los precios aumentan. Llevó a MLC a cambiar de tecnología convencional a productos de nicho de alta gama.

Evolución y retos de MLC a TLC

En lugar de colapsarse como resultado de la reducción de la MLC, apareció una estrategia alternativa, el PSLC (pseudo-slc).
En lugar de una disminución en el rendimiento, el pSLC se está convirtiendo en un "salvador" para el almacenamiento industrial, con una fiabilidad suficiente para igualar o incluso superar el MLC tradicional. PSLC (pseudo-slc mode) es una simulación de SLC con TLC/QLC, lo que aumenta considerablemente la vida útil, puede acercarse a la fiabilidad de MLC y cuesta menos. Pero la capacidad es sólo 1/3 o 1/4.

Antecedentes técnicos del pSLC

Durante mucho tiempo, el MLC ha sido la opción dominante para el almacenamiento de calidad industrial, por lo general ofreciendo entre 3.000 y 10.000 ciclos de programación/borrado (P/E), capaz de satisfacer las necesidades de almacenamiento del sistema operativo y grabación de datos de intensidad media, con un buen equilibrio entre los requisitos de confiabilidad y costo.
A medida que el mercado continúa comprimiendo el costo por unidad de capacidad, el proceso NAND sigue evolucionando hacia nodos más pequeños y capas apiladas más altas, y TLC (3 bits por unidad) gradualmente se convierte en la corriente principal. Comparado con MLC, TLC es más ventajoso en capacidad y costo, por lo que es ampliamente utilizado en equipos de consumo.
Pero en el escenario industrial, el TLC también plantea algunos problemas que no deben ser ignorados:
1. Disminución de la durabilidad.
La vida útil de escritura de fricción de un TLC estándar suele oscilar entre 1.000 y 3.000 ciclos. Esta vida útil puede convertirse fácilmente en un cuello de botella del sistema en un escenario de escritura continua, como la grabación de vídeo de 7×24 horas o la adquisición de datos de alta frecuencia. Para sistemas embebidos basados en MCU como STM32 o ATmega, la durabilidad del dispositivo de almacenamiento debe ajustarse si el objetivo del diseño del control maestro es una operación estable a largo plazo.
2. Disminución de la capacidad de retención de datos.
A medida que el tamaño de la unidad disminuye y el número de estados de voltaje de almacenamiento aumenta, el TLC es más sensible a la temperatura. A altas temperaturas o en entornos complejos, es más propensas a fugas de carga, lo que provoca errores de bits, lo que puede causar problemas de fiabilidad de datos a largo plazo.
En este contexto, los ingenieros a menudo se enfrentan a un dilema:

• Utilizar SLC de mayor costo y capacidad limitada a cambio de una mayor fiabilidad.
• Se aplica un TLC estándar, pero con riesgo en términos de longevidad y estabilidad.

Así que el pSLC surgió precisamente de esta necesidad como un compromiso que ofrece un nuevo punto de equilibrio entre el costo, la capacidad y la fiabilidad.

Cómo funciona pSLC

PSLC es un modo de trabajo basado en la implementación de controladores, esencialmente una forma de usar la memoria flash existente.
En la práctica, el pSLC a menudo se basa en la implementación del estándar 3D TLC NAND. A través de una configuración de firmware, el controlador programó y gestionó cada unidad de memoria en 1 bit, haciéndola funcionar de forma cercana a la SLC.
Su principal ventaja proviene de los cambios en el mecanismo de determinación de voltaje.
En el modo TLC, cada unidad debe representar 3 bits de datos, correspondientes a 8 diferentes estados de voltaje. El intervalo entre estos estados es menor, y factores como la deriva de voltaje y la fuga de carga son propensos a errores de interpretación en el uso prolongado o en ambientes de alta temperatura, lo que resulta en errores de bits. 

En el modo pSLC, por el contrario, solo se almacena un bit de datos por unidad, diferenciando dos estados de voltaje (0 y 1). Como el número de estados se reduce drásticamente, los intervalos de distribución de voltaje aumentan significativamente, lo que hace que el proceso de interpretación sea más estable.
Este mayor margen de voltaje (margen) hace que las unidades de almacenamiento sean menos sensibles a las interferencias, incluyendo:

• Deriva de voltaje
• Interferencia de lectura
• Fuga de carga

Por lo tanto, el modo pSLC puede aumentar significativamente la fiabilidad de los datos y la vida de escritura de fricción sobre la misma base de hardware, y es más adecuado para escenarios de aplicación con altas cargas o operaciones de ciclo largo.

Ventajas de pSLC

1. Resistencia comparable a MLC
TLC estándar: aproximadamente 3.000 ciclos P/E.
MLC tradicional: ~3,000-10,000 ciclos P/E.
PSLC: 20.000 a 30.000 + ciclos P/E.
2. Retención de datos excelente y resistencia a la temperatura
El pSLC tiene un gran margen de seguridad entre los estados de tensión, por lo que es más resistente a la degradación física causada por altas temperaturas. Incluso si las altas temperaturas causan fugas electrónicas, el controlador todavía puede determinar con precisión si la unidad representa 0 o 1. Esto reduce significativamente la tasa de error de bit no corregible.
3. Rendimiento de escritura continua
Los discos duros pSLC generalmente proporcionan velocidades de escritura más altas, evitando el fenómeno común de "deterioro de rendimiento" después de que el caché de los discos duros TLC se llena.

Cómo elegir: capacidad vs. fiabilidad

¿Por qué el pSLC es tan fuerte y no es la primera opción para todos? Debido al inevitable equilibrio entre capacidad y fiabilidad.
Supongamos que una unidad diseñada para almacenar datos de 3 bits almacena solo 1 bit, entonces sacrificaría dos tercios de su capacidad de almacenamiento para obtener confiabilidad.
Cálculo: si se formata un chip TLC NAND de 64GB en modo pSLC, la capacidad disponible caerá a aproximadamente 20GB a 22GB.
Costo: por lo tanto, el "costo por GB" del pSLC es mayor que el TLC estándar.

Conclusión: el pSLC se convierte en una realidad

La retirada gradual del MLC es más una evolución natural impulsada por la tecnología y los costos que un riesgo repentino. La disponibilidad de MLC en la cadena de suministro está disminuyendo a medida que la capacidad original de la fábrica se traslada a TLC y QLC de mayor densidad, y el diseño asociado necesita ser ajustado.
En este contexto, el pSLC ofrece un camino alternativo más viable. Se basa en hardware TLC y se gestiona en 1 bit a través de un controlador, logrando un equilibrio entre confiabilidad y costo. Menor costo de pSLC en comparación con SLC nativo; En comparación con el MLC tradicional, su durabilidad y estabilidad son más ventajosas en muchas aplicaciones.
Para sistemas que requieren una operación estable a largo plazo, la fiabilidad de los dispositivos de almacenamiento a menudo es más importante que la capacidad. En estos escenarios de telemática, control industrial o dispositivos de vigilancia médica, pSLC puede mejorar la durabilidad general del sistema sin aumentar significativamente los costos.
En términos de índices reales, la vida de fricción de un TLC estándar suele oscilar entre 1.000 y 3.000 golpes, mientras que en el modo pSLC se puede elevar a alrededor del orden de 30.000 golpes. Esta elevación se deriva de una determinación más simple del estado de voltaje, lo que hace que la unidad de almacenamiento sea más estable en uso a largo plazo y en entornos complejos.
Desde el punto de vista de la ingeniería, se trata de un compromiso clásico: una reducción de la capacidad de almacenamiento efectiva a cambio de una mayor fiabilidad y una vida útil más larga. Este compromiso se está convirtiendo en la opción por defecto en un número creciente de diseños en el contexto de la retirada gradual del MLC.