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How it is finally possible to manufacture PCIe 4.0 NVMe SSDs cheaper without DRAM, with simpler Phison controllers and Micron 3D NAND TLC | Basics

Disclaimer: The following article is machine translated from the original German, and has not been edited or checked for errors. Thank you for understanding!

What does dynamic pSLC cache actually mean?

Now we come to a more technical detail that most people might not be aware of to the full extent. Much has already been written about pSLC cache, so there is no need to go through it again in detail, at most as a small refresher. Here we go…

To increase the write speed, the so-called “pseudo-SLC cache” (pSLC) is often used in consumer products, although it can now also be found in various industrial solutions. For this purpose, part of the NAND capacity is configured as SLC memory, in which only one bit per cell is stored. Accordingly, this memory can be written and read very quickly. Since it is not dedicated, i.e. not a real SLC memory, it is called pseudo SLC. Such a cache can be used for all memory types that store several bits per flash cell, i.e. three bits as here with TLC. The pSLC cache also uses a significantly higher voltage for the one bit, which provides some security and is therefore better than Fast Page.

The use of pSLC cache offers a speed advantage, especially when the storage medium does not have read or write accesses between writing larger amounts of data. These idle times are used by the storage medium to move data from the cache to the TLC area.

Figure 1 – Pseudo SLC Cache (pSLC)

But everyone knows the disadvantages of the pSLC. When the fast pSLC cache is full, the speed drops significantly because further write accesses to the storage medium must first free the pSLC by moving older data from the cache to the TLC memory.but what is hidden behind “dynamic pSLC cache”? 

Dynamic pSLC cache has now also found its way into industrial storage solutions, but only with very hard restrictions. In contrast to the static pSLC cache, up to 100% of the NAND flash is used dynamically as pSLC cache, depending on how full the storage medium is. The cache can thus comprise up to 1/3 of the total memory size.

However, the writing speed of the storage medium depends not only on the amount of data that is written without interruption, but also on the fill level of the memory. And this is exactly what makes the write speed in the life cycle difficult to predict.

Figure 2 – Dynamic pSLC Cache and Performance (based on Swissbit study)

NAND flash manufacturers do not recommend dynamically changing the configuration of flash blocks as pSLC or TLC memory for reliability reasons, but in the consumer sector, where the temperature windows are not so important, people are more relaxed about it.

All manufacturers of dynamic NAND storage media media, including Micron, permanently switch back to TLC mode after a specified maximum number of program and erase cycles. Before that, the storage medium achieves the best values especially in short write processes that do not require the entire capacity. However, the medium slows down permanently after a certain period of use, and you should never ignore that. Phison’s E18 handles dynamically changing the configuration of flash blocks quite well, but it can’t outsmart physics either.

In practice, the whole thing looks like this: on the empty 1 TB MSI Spatium M450, the SLC cache still reaches a size of about 140 GB, while it then also reduces to about 32 GB on the 75% filled drive. After that, the data rates drop enormously during writing in both cases and you are at SATA level with a bit of bad luck.

Kommentar

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ApolloX

Urgestein

1,668 Kommentare 933 Likes

Interessant, danke! War da noch auch was bei Samsung 980 (ohne PRO), dass die "da was weggelassen" haben, bzw. eine einfachere Architektur haben? Da erinnere ich mich an irgendwas, was mein technisches Verständnis da aber deutlich überschritten hat.

Aber gut, wenn der Fortschritt auch mal wieder einfachere Aufbauten ermöglicht.

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Ghoster52

Urgestein

1,412 Kommentare 1,068 Likes

Wenn der günstigerer Aufbau bzw. Herstellungs-Preis beim Kunden ankommen würde, spräche nichts dagegen.
Oft kauft man leider die Katze im Sack, weil mit technischen Daten zu gern gespart wird...

Beispiel: eine Samsung 970 Evo Plus oder PNY 3030 ist momentan günstiger als manch billige QLC-Vertreter

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M
Massaker

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85 Kommentare 26 Likes

Ja, DRAM weggelassen, HMB-"Architektur"... War zwar etwas nachteilig, aber weniger dramatisch als vermutet (als noch zu SATA-Zeiten).
Einfacher. Billiger. FAST genauso gut. Hauptsache von dieser Ersparnis kommt auch beim Kunden was an. Die neueste SN770 hat neulich in den Tests ja gezeigt, dass sehr hohe Performance auch so möglich ist. Bei leichter Belastung wurde sogar teilweise das Flaggschiff SN850 geschlagen.

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ipat66

Urgestein

1,359 Kommentare 1,357 Likes

Die Tendenz der fallenden Preise könnte durch dieses Missgeschick gestoppt werden.

https://winfuture.de/news,128012.html

Anscheinend wurden 6,5 Exabyte Speicher in die Tonne geklopft.

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Igor Wallossek

1

10,202 Kommentare 18,829 Likes

Naja, erst mal sehen, wie das durchschlägt, ist ja nicht Micron. :D

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Massaker

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85 Kommentare 26 Likes

Das verlangsamt einfach paar Monate lang die allgemeine Tendenz nach unten. Dann werden die SSDs bis Sommer halt 5% teurer statt 5% billiger - Du und ich werden die Auswirkungen wahrscheinlich kaum merken. Da hat der Chia-Schwachsinn vor einem Jahr wahrscheinlich mehr angerichtet.

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³N1GM4

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81 Kommentare 14 Likes

Finde im ganzen Artikel keine Angabe zur Kostenersparnis?
Was macht das denn bei entspechenden Stückzahlen so aus. 2,50$ oder eher 5$?

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Igor Wallossek

1

10,202 Kommentare 18,829 Likes

Das ändert sich täglich mit den Kompomentenpreisen. Beim Controller sind es über 50%, das PCB um die 25% einschließlich der Bestückung ohne Controller. Allerdings sind es Daten, die keinen was angehen.

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M
McFly_76

Veteran

396 Kommentare 136 Likes

Hmm, trotz "Kostenersparnis" bezahlt man ~ 44 % mehr Aufpreis pro 1 TB ( M.2 ) beim Kauf einer PCIe 4.0 SSD ( 80 € vs. 115 € ).
Also DRAM-Cache muss schon vorhanden sein egal bei welcher SSD, sonst landet man beim Schreiben auf HDD Niveau ( 80 - 250 MB/s ).

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hellm

Moderator

619 Kommentare 841 Likes

Ein paar Traces und einen popligen DRAM-Chip weniger? Ernsthaft?

Also ich brauche sicher keine 7GB/s Durchsatz für einen Dateneimer. Das kann auch deutlich weniger sein, solange es noch einen Vorteil gegenüber SATA gibt. Aber den Cache rausnehmen, für ein paar Euro weniger, ich halte das für eine genauso gute Idee wie E-Cores.

Für eine Systemplatte, da gebe ich sowieso gerne noch das Geld für den DRAM Chip aus. Ich weiß aber nicht, wo der Verzicht auf Cache jemals sinnvoll sein könnte. Oder je gewesen ist, außer um Kunden mit extra großen Lettern zu veräppeln. Solche Produkte gabs ja immer schon, funktioniert schon irgendwie, fällt bestenfalls niemandem auf, aber genauer hingesehen offenbart sich dann die ganze Tragödie. Und die hilft einer PCIe4-NVMe dann zu Leistungen auf SATA-Niveau, da hätte man sich den Aufwand auch sparen können.

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p
peru3232

Mitglied

31 Kommentare 7 Likes

mehr wie ein paar Dollar kann das wohl gesammt nicht ausmachen - und die würde ich immer gerne drauflegen wollen für die bestmögliche Ausnutzung der Geschwimdigkeit der vergleichsweise teuren NAND Chips. Für btw. 16GB Flash ok, aber nicht bei vernünftigen Größen...

aber ich kenn das auch von unsren Bereichen, wenn BWLer übernehmen: jeder Cent ist wichtig, ob dann nacher Probleme entstehen, ist irrelevant ß Kostenrechnungstabellen und Balkendiagramme im Powerpoint zählen

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Igor Wallossek

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10,202 Kommentare 18,829 Likes

Bei PCIe 4.0 ist HMB mit schnellem Arbeitsspeicher im System kaum langsamer als fest verlöteter DRAM, manchmal sogar noch schneller. Wenn man nicht mehr als 32 GB im Stück lesen muss, ist das fast schon egal. Der DRAM kompensiert eigentlich die ehemals sehr langsame Anbindung. Heutzutage ist der Cache bei Datenraten um die 3000 MB/s auf PCIe 4.0 Systemen fast komplett überbewertet bis überflüssig.

Man muss auch unterscheiden, ob man die extra schnellen Flaggschiffe betrachtet oder den Mainstream samt dessen Aufgaben. Und jetzt kommt der Hammer. Ich habe mittlerweile auch mal Blindtests im eigenen Umfeld gemacht. W11 starten, Cyberpunk laden, zocken, Photoshop und Corel, Bilder browsen... Die Aussagen, was was was sein könnte treffen sich im statistischen Mittel! Versagt hat die SSD allerdings bei Maya 2021, als ich die 48 GB des VRAMs mit einem Videoprojekt füllen wollte. Da ist nach 2/3 die Datenrate weggebrochen. Aber das sind professionelle Anwendungen, kein täglicher Consumer-Brei. Eine ältere PCIe 3.0 Spitzen-SSD mit pSLC ist im Alltag sogar langsamer. Da will ich aber Samsung gar nicht weh tun, das Teil ist halt schon ein ganz klein wenig älter. :D

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Igor Wallossek

1

10,202 Kommentare 18,829 Likes

Ich schreibe hier einen 64GB Stream mit dem Teil komplett ohne DRAM (dafür mit HMB) mit 3000 MB/s. Und nun?

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hellm

Moderator

619 Kommentare 841 Likes

OK, das war der SLC-Cache. Irgendwie bin ich auch über die SATA-Schreibleistung gestolpert, die im TLC-Modus erreicht wird.

Also gar nicht so schlecht, trotzdem scheint die Kostenersparnis eher niedrig zu sein. Wegen dem DRAM-Chip ist die 980 ohne Pro jedenfalls keine 50% billiger.

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McFly_76

Veteran

396 Kommentare 136 Likes

Nun frage ich mich warum die Preise bei den Modellen gleich sind unabhängig davon ob mit oder ohne DRAM-Cache ( Sahnehäubchen ) ;D

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Igor Wallossek

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10,202 Kommentare 18,829 Likes

Frag den Handel, der macht die Preise. Die Masse wird es nicht hinterfragen und einfordern :(

Man muss es aber im Zusammenhang sehen. Für pufferlose SSDs brauchst Du einen anderen Controller, der ist aber um Welten günstiger. Auch das PCB wird einfacher. Die Ersparnis ergibt sich nur in der Summe aller Komponenten, da sind die paar Cent für den DRAM nur ein kleiner Teil. Es ist das Konzept an sich. Und auch wenn aktuell noch alle versuchen, hier abzukassieren, die alten 3.0er sind quasi alle EOL, die müssen raus. Auch ein Grund für den Preisverfall. :)

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Homerclon

Mitglied

79 Kommentare 37 Likes

Das Hauptproblem bei QLC ist der Preis. Insgesamt schlechter, aber keine niedrigere Preise, bzw. erst bei hohen Gesamtkapazitäten. Bei unter 2TB braucht man gar nicht schauen ob QLC spürbar günstiger ist, da gibt es immer TLC-Modelle die zum gleichen Preis oder sogar günstiger angeboten werden.

Wären die QLC-Modelle (bis 2TB) merklich günstiger, hätten diese sich auch weiter verbreitet.

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Termy

Mitglied

40 Kommentare 18 Likes

Viel schlimmer ist ja, dass die technischen Daten einfach geändert werden, ohne dass es dem potentiellen Käufer möglich wäre, das nachzuvollziehen (gleicher Name, gleiche Artikelnummer etc). Sprich in den Tests ist das Ding noch gut, kurz darauf werden die Komponenten gegen Billigschrott getauscht und der Käufer ist der Dumme, selbst wenn er sich vorher versucht hat zu informieren - DAS ist Betrug am Kunden, der heftigst abgestraft gehört.

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Pathfinder

Mitglied

43 Kommentare 4 Likes

Ich hatte mich schon für einen Kauf einer solchen Samsung 980 1TB entschieden.
Weil sie einfach viel Energie- und Hitzesparender ist.
Jetzt hab ich aber gelesen das wenn sie schon zu 50% voll ist erheblich and Leistung einbricht.
Ich wollte da mein Betriebssystem drauf machen und Spiele für Onlinemodus.
Sollte ich mir lieber nur das 250 GB Modell kaufen und nur rein für BS nutzen?
Genug M.2 Slots hätte ich ja. Andererseits wäre 250GB auch rausgeschmissenes Geld.
Aber für Windows 11 neu aufsetzen wiederum genau richtig.
Was meint ihr. 1TB 970Evo Plus oder 980 mit 250/1000GB Kapazität?

Edit: MSI Z690 A-Pro

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About the author

Igor Wallossek

Editor-in-chief and name-giver of igor'sLAB as the content successor of Tom's Hardware Germany, whose license was returned in June 2019 in order to better meet the qualitative demands of web content and challenges of new media such as YouTube with its own channel.

Computer nerd since 1983, audio freak since 1979 and pretty much open to anything with a plug or battery for over 50 years.

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