SSD: o que é cache SLC?

Recentemente, numa conferência para investidores, a Western Digital comentou que a previsão é que os SSDs baseados em chips de memória Flash NAND PLC (penta level cell), isto é, cinco bits por célula, devem chegar ao mercado em 2026.

Assim como aconteceu em transições passadas, com mais estágios de voltagens inseridos na equação, os fabricantes precisam aplicar mais recursos para tentar retardar a finitude cada vez mais baixa dos chips Flash NAND e também compensar a queda de performance. Um desses recursos, falando especialmente sobre a parte de performance, é o famoso cache SLC.

O que é cache SLC?

O cache SLC é um trunfo muito interessante quando observamos o mercado de SSDs. É um recurso que funciona tanto na questão técnica da unidade, quanto também em dar up para chamar a atenção dos consumidores com números bem altos de taxas de leitura e escrita.

Vamos dar uma olhada em três materiais de divulgação sobre SSDs. O primeiro é sobre o SSD WD Green da Western Digital.

No parágrafo sobre o “desempenho aprimorado para computação do dia a dia” temos o seguinte trecho […] A tecnologia de cache SLC (cache de célula de nível único) ajuda a acelerar o desempenho de gravação em um WD Green SSD para navegação na web, jogar seus jogos favoritos ou simplesmente para inicializar seu sistema rapidamente.

Passemos agora para o SSD M.2 FireCuda 510 da Seagate. Temos o seguinte trecho em destaque: O cache SLC dinâmico aprimorado com até 28 GB reservados fornece picos de dados mais longos.

Por último, na página oficial referente ao SSD SU630, da Adata, encontramos a seguinte informação: Com o armazenamento em cache dinâmico do SLC, a memória Flash NAND opera no modo de célula de nível único e aumenta o desempenho. Isso permite que o SU630 atinja velocidades de leitura/gravação de até 520/450MB/s para uma inicialização mais suave e transferências de arquivos e downloads mais rápidas.

Observando esses três materiais distintos, de fabricantes diferentes com unidades diferentes, chegamos rapidamente à conclusão que o cache SLC é uma porção – em relação à capacidade total da unidade, destinada a entregar a garantir a melhor performance para o SSD.

É graças ao cache SLC que fabricantes como a WD, Seagate, Adata, e tantos outros, conseguem ostentar números altíssimos de taxas de transferência de leitura e escrita. Os valores mais altos estão sempre levando em consideração o rendimento dentro do cache SLC. Fora dele, a realidade da performance de uma unidade de estado sólido é completamente diferente.

Um caso recente que repercutiu na web pode ilustrar essa questão. Um membro do fórum do site Compute Base reclamou que estava constatando velocidades de gravação muito lentas com o seu SSD Samsung 980 Pro. O relato aponta uma queda pela metade da performance da unidade.

Este tipo de problema pode passar por diversas questões, mas é um caso clássico que pode facilmente ser aplicado para entendermos melhor a função do cache SLC. O esgotamento momentâneo do cache SLC, seguido de outras ações de gravação em sequência, resultam em uma queda de performance geral do SSD. Queda que, dependendo do rendimento prévio daquele SSD, pode ser sentida na hora pelo usuário.

Além de atuar, por exemplo, como uma porção da NAND que entrega mais desempenho imediato para a gravação de uma determinada faixa em GBs de arquivos, o cache SLC também tenta equilibrar a balança em relação à degradação que, por questões de mercado, os SSDs vêm passando.

Quando foram lançados em 2007, os SSDs eram baseados em chips de memória SLC. Naquele momento o SLC não era apenas um cache, ele era a memória que ditava o que era o SSD como um todo.

No entanto, por questões de custo, seria completamente impensável imaginar que o mercado de SSDs estaria consolidado como está se alterações não fossem feitas. Começamos então o processo de acrescentar mais estágios de voltagens para os chips. Outra alteração importante foi a passagem do processo de produção planar (2D) para o 3D, em camadas.

Ao invés de apenas dois estágios do SLC –  a grosso modo, “carregada-descarregada””, possibilidade mediante ao uso de chips com células de nível único, foram acrescentados novos estágios a partir de 2011 com a introdução do MLC.

Essa nova forma de encarar os SSDs ajudou a popularizar as unidades, tornou mais viável introduzir modelos com mais capacidade de armazenamento, e, acima de tudo, acelerou a transição do mecânico (HD) para unidade de estado sólido (SSD). Em contrapartida, o aumento no nível de carga na célula, juntamente com o refinamento do processo de produção, tornou impossível manter a mesma resistência das células de memória (lembre-se: chips NAND são finitos, independente se é SLC ou QLC, não importa).

Mesmo com os algoritmos de correção de erros, aprimoramento de controladores, entre outras coisas, houve uma redução drástica na resistência dos chips de memória quando comparamos números frios. No caso de chips SLC estamos tratando na ordem de cerca de 100.000 ciclos de gravação. Quando partimos para o MLC esse número já cai para 10.000 ciclos. O SLC também é menos sensível à temperatura e tem requisitos mais baixos para correção de erros no controlador quando comparado às demais evoluções Flash NAND (MLC, TLC e QLC).

Em termos de estágio evolutivo, a solução mais recente no mercado é o QLC (Quad Level Cell), quatro bits por célula, introduzido pela Intel em 2018. A média é de apenas 1.000 ciclos de gravação.

Embora a sensação do SSD ser cada vez mais descartável possa passar pela sua cabeça, a real é que para a grande maioria dos usuários atingir os níveis médios de ciclos de gravação é quase impossível. Mas isso não anula o fato de que para alavancar o mercado de SSDs para o consumo geral foi preciso acontecer uma degradação clara em relação ao rendimento bruto dos chips de memória. Quanto mais níveis de tensão, mais trabalho o controlador tem para corrigir os erros. Com cada bit adicional a vida útil diminui radicalmente.

Mas, no geral, defeitos de fabricação e até mesmo picos de energia são mais determinantes para ferrar um SSD do que a média de ciclos que ele pode atingir.

A variedade do cache SLC

Vimos até aqui que o cache SLC, que aproveita uma porção de gravação de apenas um bit por célula, traz como principal benefício mais velocidade para o SSD, levando em consideração, é claro, que o cache não seja esgotado. A partir do momento que a gravação ultrapassa o dimensionamento do cache o rendimento do SSD é reduzido.

Agora veremos como o cache SLC pode variar dependendo do SSD. Vou pegar como exemplo o Samsung 980 Pro, em seu modelo de 1 TB. Este é um SSD com interface PCI-Express 4.0 e que é baseado em chips de memória 3D NAND TLC. Como você já sacou até aqui, é uma união entre TLC juntamente com uma porção SLC, de cache.

No caso deste SSD o cache SLC está em torno de 114 GB. Isto significa que, numa gravação com este valor em GB, o melhor rendimento possível será entregue por esta unidade da Samsung. Ao ultrapassar os 114 GB, saímos do cache e entramos diretamente nos chips TLC, que entregam um rendimento menor quando comparado ao SLC.

O cache nem sempre tem um valor estático. A abordagem de usar uma porção dinâmica também é aplicada. Observe, por exemplo, o SSD 665p da Intel. Modelo que faz uso de chips 3D NAND QLC. A Intel destaca em seu material de divulgação o fato do cache ser dinâmico.

Esse valor dinâmico varia de acordo com o estágio momentâneo da unidade em termos de espaço disponível. No modelo de 1 TB do 665p, quando o SSD está totalmente vazio, o cache SLC é de 140 GB. Quando a capacidade atinge 75% do total o cache dinâmico cai para 24 GB e se mantém assim até mesmo quando o disco está 100% cheio. Com o modelo de 2 TB o cache é bem maior, 280 GB e estabiliza também em 24 GB a partir de 75% da capacidade.

Em alguns casos a porção do cache SLC pode alcançar valores bem impressionantes, como o Adata GAMMIX S50. Modelo M.2 2280 NVMe PCIe 4.0. O tamanho do cache é de até 480 GB. Enquanto a gravação ocorre dentro do cache, a velocidade fica em torno de 3 GB/s. Quando o cache é exaurido, a velocidade cai para 700 MB/s.

Uma dica prática para sempre obter o máximo em termos de velocidade da sua unidade é aguardar alguns segundos entre uma transferência e outra. Com esta pausa, os dados do cache são movidos, o cache é liberado, e a performance do seu SSD terá o melhor rendimento possível em termos de uso do cache.

Lembre-se também que, principalmente os SSDs NVMe, a temperatura também influi diretamente na performance da sua unidade. Priorize SSDs com dissipador, ou o uso em conjunto com placas-mãe com dissipador para os slots M.2