En electrónica , una celda multinivel ( MLC ) es una celda de memoria capaz de almacenar más de un bit de información, en comparación con una celda de un solo nivel ( SLC ), que puede almacenar solo un bit por celda de memoria. Una celda de memoria generalmente consta de un solo MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) de puerta flotante , por lo que las celdas multinivel reducen la cantidad de MOSFET necesarios para almacenar la misma cantidad de datos que las celdas de un solo nivel.
Las celdas de tres niveles ( TLC ) y las celdas de cuatro niveles ( QLC ) son versiones de la memoria MLC, que pueden almacenar tres y cuatro bits por celda respectivamente. El nombre " celda multinivel " se utiliza a veces específicamente para referirse a la " celda de dos niveles". En general, las memorias se denominan de la siguiente manera:
Tenga en cuenta que esta nomenclatura puede ser engañosa, ya que una " celda de nivel n " de hecho utiliza 2 n niveles de carga para almacenar n bits (ver a continuación).
Normalmente, a medida que aumenta el recuento de "niveles", el rendimiento (velocidad y confiabilidad) y el costo para el consumidor disminuyen; sin embargo, esta correlación puede variar entre fabricantes.
Ejemplos de memorias MLC son las memorias flash NAND MLC , PCM MLC ( memoria de cambio de fase ), etc. Por ejemplo, en la tecnología flash NAND SLC, cada celda puede existir en uno de los dos estados, almacenando un bit de información por celda. La mayoría de las memorias flash NAND MLC tienen cuatro estados posibles por celda, por lo que pueden almacenar dos bits de información por celda. Esto reduce la cantidad de margen que separa los estados y da como resultado la posibilidad de más errores. Las celdas multinivel que están diseñadas para tasas de error bajas a veces se denominan MLC empresarial ( eMLC ).
Las nuevas tecnologías, como las células multinivel y el Flash 3D, y el aumento de los volúmenes de producción seguirán haciendo bajar los precios. [2]
La memoria flash almacena datos en celdas de memoria individuales, que están hechas de transistores MOSFET de puerta flotante . Tradicionalmente, cada celda tenía dos estados posibles (cada uno con un nivel de voltaje), y cada estado representaba un uno o un cero, por lo que se almacenaba un bit de datos en cada celda en las llamadas celdas de un solo nivel o memoria flash SLC. La memoria SLC tiene la ventaja de velocidades de escritura más altas, menor consumo de energía y mayor resistencia de la celda. Sin embargo, debido a que la memoria SLC almacena menos datos por celda que la memoria MLC, cuesta más por megabyte de almacenamiento fabricarla. Debido a las velocidades de transferencia más altas y la vida útil esperada más larga, la tecnología flash SLC se utiliza en tarjetas de memoria de alto rendimiento . En febrero de 2016, se publicó un estudio que mostró poca diferencia en la práctica entre la confiabilidad de SLC y MLC. [3]
Una memoria flash de celda de un solo nivel (SLC) puede tener una vida útil de aproximadamente 50.000 a 100.000 ciclos de programación/borrado. [4]
Una celda de un solo nivel representa un 1 cuando está casi vacía y un 0 cuando está casi llena. Existe una región de incertidumbre (un margen de lectura) entre los dos estados posibles en los que los datos almacenados en la celda no se pueden leer con precisión. [5]
El beneficio principal de la memoria flash MLC es su menor costo por unidad de almacenamiento debido a la mayor densidad de datos, y el software de lectura de memoria puede compensar una mayor tasa de error de bits . [6] La mayor tasa de error requiere un código de corrección de errores (ECC) que pueda corregir múltiples errores de bits; por ejemplo, el controlador flash SandForce SF-2500 puede corregir hasta 55 bits por sector de 512 bytes con una tasa de error de lectura irrecuperable de menos de un sector por cada 10 17 bits leídos. [7] El algoritmo más comúnmente utilizado es Bose–Chaudhuri–Hocquenghem ( código BCH ). [8] Otras desventajas de MLC NAND son velocidades de escritura más bajas, menor número de ciclos de programa/borrado y mayor consumo de energía en comparación con la memoria flash SLC.
Las velocidades de lectura también pueden ser menores para las memorias NAND MLC que para las memorias SLC debido a la necesidad de leer los mismos datos a un segundo voltaje umbral para ayudar a resolver errores. Los dispositivos TLC y QLC pueden necesitar leer los mismos datos hasta 4 y 8 veces respectivamente para obtener valores que se puedan corregir mediante ECC. [9]
La memoria flash MLC puede tener una vida útil de aproximadamente 1000 a 10 000 ciclos de programación/borrado. Esto generalmente requiere el uso de un sistema de archivos flash , que está diseñado teniendo en cuenta las limitaciones de la memoria flash, como el uso de nivelación de desgaste para extender la vida útil del dispositivo flash.
El Intel 8087 utilizó tecnología de dos bits por celda para su ROM de microcódigo , [10] y en 1980 fue uno de los primeros dispositivos en el mercado en utilizar celdas ROM de múltiples niveles. [11] [12] Intel demostró posteriormente una memoria flash NOR de celdas de múltiples niveles (MLC) de 2 bits en 1997. [13] NEC demostró celdas de cuatro niveles en 1996, con un chip de memoria flash de 64 Mbit que almacenaba 2 bits por celda. En 1997, NEC demostró un chip de memoria de acceso aleatorio dinámico (DRAM) con celdas de cuatro niveles, con una capacidad de 4 Gbit. STMicroelectronics también demostró celdas de cuatro niveles en 2000, con un chip de memoria flash NOR de 64 Mbit . [14]
El término MLC se utiliza para referirse a celdas que almacenan 2 bits por celda, utilizando 4 valores o niveles de carga. Una MLC de 2 bits tiene un único nivel de carga asignado a cada combinación posible de unos y ceros, de la siguiente manera: cuando está cerca del 25 % de su capacidad, la celda representa un valor binario de 11; cuando está cerca del 50 %, la celda representa un 01; cuando está cerca del 75 %, la celda representa un 00; y cuando está cerca del 100 %, la celda representa un 10. Una vez más, existe una región de incertidumbre (margen de lectura) entre los valores, en la que los datos almacenados en la celda no se pueden leer con precisión. [15] [5]
A partir de 2013, [actualizar]algunas unidades de estado sólido utilizan parte de una matriz NAND MLC como si fuera NAND SLC de un solo bit, lo que proporciona velocidades de escritura más altas. [16] [17] [18]
A partir de 2018, [actualizar]casi todos los MLC comerciales son de base plana (es decir, las celdas están construidas sobre una superficie de silicio) y, por lo tanto, están sujetos a limitaciones de escalabilidad. Para abordar este problema potencial, la industria ya está buscando tecnologías que puedan garantizar aumentos de la densidad de almacenamiento más allá de las limitaciones actuales. Una de las más prometedoras es 3D Flash, donde las celdas se apilan verticalmente, evitando así las limitaciones de la escalabilidad plana. [19]
En el pasado, algunos dispositivos de memoria fueron en la dirección opuesta y utilizaron dos celdas por bit para ofrecer tasas de error de bits aún más bajas. [20]
Enterprise MLC (eMLC) es una variante más cara de MLC que está optimizada para uso comercial. Afirma durar más y ser más confiable que las MLC normales, al tiempo que brinda ahorros de costos en comparación con las unidades SLC tradicionales. Si bien muchos fabricantes de SSD han producido unidades MLC destinadas a uso empresarial, solo Micron vende chips NAND Flash sin procesar con esta designación. [21]
Una celda de triple nivel ( TLC ) es un tipo de memoria flash NAND que almacena 3 bits de información por celda. Toshiba introdujo la memoria con celdas de triple nivel en 2009. [22]
Con la tecnología actual se puede alcanzar una vida útil máxima de hasta 3.000 ciclos de programación/borrado. [23]
Samsung anunció un tipo de memoria flash NAND que almacena 3 bits de información por celda, con 8 estados de voltaje totales (valores o niveles), acuñando el término "celda de triple nivel" ("TLC"). Samsung Electronics comenzó a producirla en masa en 2010, [24] y se vio por primera vez en los SSD de la serie 840 de Samsung . [25] Samsung se refiere a esta tecnología como MLC de 3 bits. Los aspectos negativos de MLC se amplifican con TLC, pero TLC se beneficia de una densidad de almacenamiento aún mayor y un menor costo. [26]
En 2013, Samsung introdujo V-NAND (Vertical NAND, también conocida como 3D NAND) con celdas de triple nivel, que tenían una capacidad de memoria de 128 Gbit . [27] Ampliaron su tecnología TLC V-NAND a una memoria de 256 Gbit en 2015, [24] y 512 Gbit en 2017. [28]
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La memoria que almacena 4 bits por celda se conoce comúnmente como celda de cuatro niveles ( QLC ), siguiendo la convención establecida por TLC . Antes de su invención, el término "QLC" era sinónimo de MLC para referirse a celdas que pueden tener 4 estados de voltaje, es decir, aquellas que almacenan 2 bits por celda, lo que ahora se conoce inequívocamente como DLC. [ cita requerida ]
Debido al número exponencialmente creciente de etapas de voltaje requeridas para un flash de nivel superior, la vida útil del QLC se reduce aún más a un máximo de 1000 ciclos de programación/borrado. [23]
En 2009, Toshiba y SanDisk introdujeron chips de memoria flash NAND con celdas de cuatro niveles, que almacenan 4 bits por celda y tienen una capacidad de 64 Gbit. [22] [29]
Las tarjetas de memoria flash SanDisk X4, presentadas en 2009, fueron uno de los primeros productos basados en memoria NAND que almacena 4 bits por celda, comúnmente denominada celda de cuatro niveles (QLC), utilizando 16 niveles de carga discretos (estados) en cada transistor individual. Los chips QLC utilizados en estas tarjetas de memoria fueron fabricados por Toshiba, SanDisk y SK Hynix . [30] [31]
En 2017, Toshiba introdujo chips de memoria V-NAND con celdas de cuatro niveles, que tienen una capacidad de almacenamiento de hasta 768 Gbit. [32] En 2018, ADATA , Intel , Micron y Samsung lanzaron algunos productos SSD que utilizan memoria QLC NAND. [33] [34] [35] [36]
En 2020, Samsung lanzó un SSD QLC con espacio de almacenamiento de hasta 8 TB para los clientes. Es el SSD SATA con la mayor capacidad de almacenamiento para los consumidores a partir de 2020. [37] [38]