WD/Toshiba BiCS4, la première NAND 3D QLC

Jusqu’à 1000 cycles d’écriture comme la TLC !

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La première NAND 3D QLC par WD/Toshiba

Alors que les puces de NAND 3D à 64 couches sont tout juste entrées en production, l’alliance Western Digital/Toshiba vient d’annoncer l’arrivée pour 2018 de ses nouvelles puces BiCS4. Ces dernières, leur 4ème génération, se caractérisent notamment par leur conception à 96 couches mais aussi et surtout par l’adoption d’une conception QLC (quadruple level cell).

Western Digital prévois une production assez souple avec des puces BiCS4 en TLC et d’autres en QLC afin d’offrir plusieurs capacités de 256 Gbit (32 Go) à 1 Tbit (128 Go). À titre de comparaison, la BiCS3 propose au mieux des die de 512 Gbit (64 Go) actuellement et Samsung ne produit que des dies de 256 Gbit (32 Go). Ça fait des mois et des années qu’on entend parler chez WD (et SanDisk avant ça) de NAND 3D en QLC, c’est-à-dire capable de stocker jusqu’à 4 bits par cellule. Outre l’augmentation du nombre de couches et l’amélioration de la finesse de gravure, le passage en QLC est la troisième méthode pour accroitre la densité de stockage. Et de 33 % d’un seul coup ! Voilà qui devrait favoriser la production de SSD de fortes capacités dans de petits formats physiques (M.2 par exemple, ou soudé à même la carte mère d’une tablette).

Quid de l’endurance ?

Souvenez-vous, c’était en 2013, quand Samsung a osé proposer son 840 Evo équipé pour la première fois à grande échelle de mémoire TLC. De nombreux commentaires faisaient alors état du manque d’endurance de ce nouveau type de mémoire et des risques encourus à acheter ce SSD. Logiquement, les mêmes questions se posent de nouveau avec l’apparition de la QLC.

Pourquoi ? Comme vous le savez, la mémoire flash est condamnée d’avance, les cellules n’ont droit qu’à un nombre limité de cycles d’écriture, on parle en anglais de P/E Cycle (cycles de programmation/écriture). Ça s’explique parce qu’à chaque fois qu’on efface des données puis qu’on en réécrit au sein d’une de ces cellules, une tension y est appliquée. À force, les fines douches d’isolants s’usent (au sens propre) et au bout d’un nombre donné de cycles, c’est le court circuit, la cellule est morte.

Etats selon le type de NAND
Chaque état requière une tension d’écriture différente et, plus il y a d’états, plus la tension maximale est potentiellement élevée, ce qui endommage les cellules.

Le phénomène est amplifié par la réduction de la finesse de gravure ; par exemple, de nombreuses puces MLC en 25 nm sont garanties pour 3000 cycles alors que celles en 34 nm tenaient 5000 cycles. Mais c’est encore pire quand on renforce la densité par cellule, car en passante de SLC (1 bit par cellule) MLC (2 bits par cellule), nous sommes passés de 2 états à 4 états possibles. En TLC (3 bits par cellule), c’était 8 états différents et le passage en QLC impose 16 états possibles pour chaque cellule. Et à chaque état correspond une tension d’écriture différente, mais plus il y a d’états, plus la tension maximale est potentiellement accrue et donc dangereuse/destructrice.

Les puces de TLC offrent généralement 1000 cycles d’écriture et vu l’écart comparé aux puces de MLC (entre 3000 et 10 000 cycles) et de SLC (entre 50 000 et 100 000 cycles), nous redoutions une QLC très peu endurante de l’ordre de 100 à 150 cycles seulement. Mais, oh joie, WD/Toshiba a indiqué à notre confrère AnandTech que sa NAND 3D QLC était conçue pour 1000 cycles d’écriture, comme la TLC ! Nous ne savons pas encore comment le constructeur a réussi une telle prouesse (des cellules physiquement plus grosses ?), mais si c’est bien vrai, nous savons d’expérience que c’est plus qu’il n’en faut pour concevoir avec des SSD d’usage grand public.

En effet, même en écrivant 10 Go/jour (c’est un usage assez intensif), il faudrait des dizaines d’années pour arriver au bout des cycles d’écriture de chaque cellule. Le test d’endurance extrême réalisé par The Tech Report entre 2013 et 2015 et qui s’est soldé par la mort de multiples SSD a montré que le 840 Evo 250 Go et sa TLC n’a pas présenté le moindre problème avant 300 To d’écriture ! Pour en finir avec les exemples, le 960 Evo du PC principal de votre serviteur installé en décembre dernier en est à une moyenne de 35 Go/j, mais c’est un modèle 1 To qui a donc quatre fois plus de cellules. Bref, si la mémoire QLC est plus ou moins aussi endurante que la TLC, il n’y a pas lieu de s’inquiéter sur ce point, même si la MLC ou la très couteuse SLC sont encore meilleures.

WD/Toshiba a déjà envoyé des samples de QLC aux fabricants de SSD et de leurs contrôleurs et prévois de lancer la production des dies de 768 Gbit (96 Go) de QLC à 96 couches dès l’an prochain.

Roadmap NAND WD/Toshiba

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