Mais bits e menos ciclos

O grande boom da memória Flash aconteceu entre 2004 e 2005, quando uma combinação de dois fatores fez com que os preços por MB caíssem rapidamente.

O primeiro foi o brutal aumento na produção e a concorrência entre os fabricantes, que empurraram os preços para baixo. Além de gigantes como a Samsung e a Toshiba, até mesmo a Intel e a AMD investiram pesadamente na fabricação de memória Flash.

O segundo foi a introdução da tecnologia MLC (Mult-Level Cell), onde cada célula passa a armazenar dois bits em vez de apenas um. Isso é possível graças ao uso de tensões intermediárias. O MLC foi implantado de forma mais ou menos simultânea pelos diversos fabricantes e permitiu reduzir pela metade o custo por megabyte, mas em troca resultou em chips de memória Flash com um desempenho mais baixo e que se degradam mais rapidamente.

Hoje em dia, os chips MLC são os usados na esmagadora maioria dos pendrives, cartões de memória e SSDs. Os chips “tradicionais”, que armazenam um único bit por célula passaram a ser chamados de “SLC” (Single-Level Cell) e ainda são produzidos com o objetivo de atender o mercado de SSDs de alto desempenho (sobretudo os modelos destinados ao mercado de servidores). Embora muito mais caros, eles oferecem um melhor desempenho e são mais duráveis.

No outro extremo temos os drives equipados com chips TLC, que armazenam três bits por célula em vez de apenas dois como os MLC e por isso reduzem o custo por gigabyte em mais 33%. Por outro lado, o uso de mais tensões intermediárias resultam em chips que se degradam ainda mais rapidamente que os MLC.

Na verdade, não existem diferenças físicas entre as células de um chip SLC, MLC ou TLC. Nos três casos a técnica de produção é exatamente a mesma, mudando apenas a forma como o chip é programado e acessado pelo controlador. O que faz os chips MLC e TLC serem mais baratos é uma simples questão de aritmética: um chip NAND de 16 gigabits pode dar origem a um chip SLC de também 16 gigabits, a um chip MLC de 32 gigabits ou a um chip TLC de 48 gigabits.

Presumindo que o custo total do chip seja de US$ 24, teríamos um custo por gigabyte de US$ 1,50 no caso do SLC, US$ 0,75 no MLC e apenas US$ 0,50 no TLC. Se você fosse um fabricante interessado em vender SSDs de grande capacidade por um preço baixo, seria óbvio qual das três opções lhe pareceria mais atrativa.

O grande problema é que não apenas a durabilidade, mas o próprio desempenho dos chips decai com o uso de mais bits. Uma operação de leitura que demore 25 µs em um chip SLC, demora 50 µs em um chip MLC e 100 µs ou mais em um chip TLC. Ao mesmo tempo, uma operação de escrita que demora 250 µs no SLC, demora 900 µs ou mais no MLC e mais de 2000 µs no TLC, resultando em quedas proporcionais nas taxas de leitura e escrita dos drives.

O maior problema entretanto é a durabilidade. Chips SLC apresentam uma vida útil de cerca de 100.000 operações de escrita, um número que se manteve estável até os 34 nm e decaiu sutilmente nos 25 nm. A vida útil dos chips MLC entretanto, que já era de apenas 10.000 ciclos nos 50 nm, caiu para 5.000 ciclos nos 34 nm e para apenas 3.000 ciclos nos 25 nm.
No caso dos TLC a queda é ainda mais gritante. Os primeiros chips, baseados na técnica de 50 nm ofereciam uma vida útil já muito baixa, apenas 2.500 operações de escrita, mas o número decaiu ainda mais, chegando a 1.250 ciclos nos 34 nm e meros 750 ciclos nos 25 nm.

Mesmo com o revezamento de setores e outras técnicas empregadas pelos controladores atuais para estender a vida útil dos drives, um SSD de 128 GB baseado em chips TLC de 25 nm suportaria apenas 96 TB de gravações durante toda a sua vida útil, limitando muito sua utilização. Para efeito de comparação, um drive de 128 GB baseado em chips MLC de 34 nm suportaria 640 TB de regravações, enquanto um drive SLC suportaria 12.8 petabytes.

Em resumo, o drive SLC apresentaria uma durabilidade gritantemente superior a qualquer drive magnético. O drive MLC apresentaria uma vida útil relativamente baixa, mas ainda aceitável se levarmos em conta as grandes vantagens que a memória Flash oferece em outras áreas. O drive TLC entretanto teria uma utilização limitada e em muitas situações de uso poderia apresentar esgotamento depois de menos de um ano de uso.