TLC - prestazioni
Come abbiamo appena visto, per le TLC costi e consumi sono minori rispetto alle MLC ma anche le prestazioni dovrebbero ragionevolmente esserlo: se infatti la densità di dati è molto superiore, dovrebbero aumentare anche le latenze e infatti Samsung parla di un aumento di queste ultime pari addirittura al 50% rispetto alle MLC. Inoltre ovviamente anche programmare ogni cella richiederà più tempo, anche se in questo caso non sono ancora stati rilasciati dati specifici. Infine poiché ogni cella conterrà più dati sarà consultata, riscritta e cancellata più volte rispetto a una di tipo SLC o MLC e quindi gli SSD di tipo TLC dovrebbero avere una vita media inferiore.
Samsung è stata molto avara nel rilasciare dati tecnici troppo specifici sui modi in cui ha ovviato a tali limiti, ma alcune cose sono comunque chiare. L’incremento di prestazioni ottenuto per la serie 840 rispetto alla precedente 830 è frutto di tanti piccoli ritocchi. Anzitutto infatti come visto il controller è stato migliorato dal punto di vista tecnico, è più veloce, avanzato e potente e dotato di algoritmi di prefetch migliori ed è in grado di gestire meglio un numero maggiore di dati da e verso i singoli moduli di memoria NAND, inoltre il quantitativo di cache è stato raddoppiato e, nel caso degli 840 Pro, la tipologia di RAM è anche sensibilmente più veloce, infine è stata cambiata anche l'interfaccia delle memorie, che è passata da Toggle 1.0 a Toggle 2.0, con prestazioni teoricamente triplicate, visto che la bandwidth si è ampliata dai precedenti 133 Mbps agli attuali 400. Se dunque è chiaro come abbia fatto Samsung a migliorare le prestazioni dei suoi SSD serie 840 nonostante le maggiori limitazioni imposte dai moduli TLC, resta però ancora da vedere come ha potuto porre rimedio a un ciclo di vita che dovrebbe essere estremamente ridotto rispetto ai normali SSD MLC.
TLC - affidabilità
Prima di spiegare come ha fatto Samsung a porre rimedio ai limiti di affidabilità nel tempo delle memorie TLC, bisogna anzitutto capire perché esse sono soggette a tali limiti e la spiegazione risiede nel funzionamento stesso dei chip al silicio. Ogni volta che si programma una cella si applica ad essa un voltaggio che crea un campo elettrico attraverso il quale i singoli elettroni possono migrare attraverso la barriera di ossido di silicio, tramite un processo chiamato tunneling.
L'ossido di silicio infatti agisce come un isolante che non dovrebbe, in linea teorica, consentire agli elettroni di passare in un verso o nell'altro finché non è applicato un voltaggio e la cella cambia di stato (0, 1 o una combinazione a seconda di quanti bit sono contenuti per ogni cella). Questo significa che ogni cella prima di essere riprogrammata nuovamente dovrà essere cancellata per eliminare gli elettroni trasferiti con la prima programmazione. Lo strato di ossido di silicio però è spesso appena 10 nm e tende a usurarsi ogni volta che si applica un voltaggio. L’usura comporta che durante il processo di tunneling alcuni elettroni restano intrappolati nello strato stesso, che assume così una certa carica negativa che neutralizza una parte di quella positiva che è applicata col voltaggio a ogni operazione.
In breve dunque più lo strato di silicio si usura e più è necessario applicare voltaggi elevati e per tempi più lunghi affinché il tunneling abbia luogo e i processi di programmazione e cancellazione avvengano correttamente, ma ciò non fa che velocizzare ulteriormente il processo di consunzione. Ecco perché ogni singola cella dev'essere dismessa quando il suo strato di ossido di silicio raggiunge un certo livello di usura e a questo punto è anche chiaro che una memoria di tipo TLC a otto differenti livelli di tensione (000, 001, 010, 100, 011, 101, 110 e 111) si usura molto più velocemente di una MLC a quattro stati o di una SLC a soli due stati. Inoltre meno livelli di tensione possono essere applicati a una singola cella più c'è spazio per aumentare le tensioni prima che essa debba essere ritirata. Ad esempio, se un'ipotetica cella accetta un voltaggio compreso tra 0 e 14 V e necessita di un voltaggio compreso tra 4 e 5 V per essere programmata a 1 e tra 9 e 10 V per essere programmata a 0, restano ben 4 v disponibili con i quali giostrare man mano che sarà necessario aumentare i voltaggi.
La stessa cella invece se ospita 2 bit avrà a disposizione soltanto 2 V, che diventano 0.67 V in una cella TLC. Raggiunto un certo livello quindi non sarà più possibile erogare voltaggi abbastanza alti e la cella andrà dismessa prima, accorciando ancora di più il ciclo vitale di questo tipo di memorie. Per gestire questo problema serve dunque ancora una volta un controller adatto e il relativo firmware. Il Samsung MDX come abbiamo visto ha già un'architettura a tre core in cui uno è sempre libero per gestire il carico maggiore causato dalle memorie TLC che, per i limiti appena esposti, richiedono molte più operazioni e hanno un livello di errori molto maggiori.
Anche il firmware inoltre è stato ottimizzato, ad esempio per mantenere basso l'indice di Write Amplification (ossia il numero di spostamenti di dati necessari ogni volta per poter cancellare o programmare una cella) e applicare le consuete tecnologie di Wear Leveling e Foreground Garbage Collection che abbiamo già analizzato quando parlammo del Samsung 830.
Tuttavia queste tecnologie da sole non sarebbero sufficienti a risolvere il problema allungando il ciclo P/E (Programmazione e Cancellazione, in inglese Erase). Anche in questo caso però Samsung è riuscita a risolvere brillantemente il problema grazie all’implementazione di nuovo algoritmo DSP (Digital Signal Processing), il cui funzionamento è abbastanza semplice. Tenendo presente il discorso appena fatto riguardo all'usura dello strato di ossido di silicio e alla conseguente necessità di aumentare man mano i voltaggi erogati, bisogna pensare che un controller che non sappia adattarsi a questi cambiamenti progressivi dovrà procedere ogni volta per tentativi ed errori, applicando cioè diversi voltaggi a ogni cella per ogni singola operazione fino a trovare quello giusto. In questo modo però è evidente che si va ad aumentare ulteriormente lo stress elettrico della cella stessa, diminuendo il tempo entro il quale dovrà essere dismessa e allungando di molto quello necessario a compiere ogni operazione, con una relativa perdita in performance.
Viceversa il controller MDX, grazie alla tecnologia DSP, è capace di analizzare i cambiamenti nell'erogazione dei voltaggi e di adattarsi ad essi, abbattendo così drasticamente la quantità di prove ed errori necessari. Samsung non dichiara quanto questa tecnologia possa prolungare la durata dei propri SSD ma si è limitata a dire che le proprie soluzioni possono vantare una vita media equivalente a quella di molti SSD MLC prodotti dai competitor e sul sito riporta un valore MTBF (Mean Time Between Failures o tempo medio tra i guasti) pari a 1.5 milioni di ore, lo stesso delle serie 830 e 840 pro con moduli MLC.
