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NAND SLC vs MLC vs TLC vs QLC : les différences expliquées

Le nom indique combien de bits une cellule de flash NAND stocke : un (SLC), deux (MLC), trois (TLC) ou quatre (QLC). Stocker plus de bits par cellule loge davantage de capacité sur le même silicium et réduit le coût par bit, mais la cellule doit distinguer davantage de niveaux de tension, plus rapprochés. L'endurance, la vitesse et la fiabilité se dégradent donc toutes de la SLC à la QLC.

CritèreSLCMLCTLCQLC
Bits par cellule1234
États de tension de seuil24816
Endurance (cycles de programmation/effacement)Environ 50 000 à 100 000De plusieurs milliers à 10 000Quelques milliersEnviron 1 000
Vitesse d'écritureLa plus rapideRapidePlus lenteLa plus lente
Latence de lectureLa plus faibleFaiblePlus élevéeLa plus élevée
Taux d'erreurs et ECCLe plus faible, correction d'erreurs légèreFaiblePlus élevé, ECC plus robuste nécessaireLe plus élevé, ECC la plus robuste et read-retry nécessaires
Coût par bitLe plus élevéÉlevéFaibleLe plus faible
Capacité pour une même surface de puceLa plus faibleDeux fois la SLCTrois fois la SLCQuatre fois la SLC
Usages typiquesStockage industriel et aérospatial, caches d'écriture d'entrepriseAnciens SSD d'entreprise et SSD grand public haut de gammeSSD grand public courants, téléphones, cartes mémoireDisques de grande capacité à bas coût et stockage majoritairement en lecture

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

SLC
Lorsque l'endurance et la fiabilité comptent plus que le prix : systèmes industriels, journalisation, et zone de cache rapide d'autres SSD.
TLC
Le choix courant aujourd'hui, qui équilibre coût, vitesse et endurance pour les PC et les téléphones.
QLC
Lorsque la capacité par dollar compte et que la charge de travail est surtout en lecture : stockage de masse, bibliothèques de jeux, archives.
Mixte
De nombreux SSD TLC et QLC utilisent une partie de l'espace comme cache rapide en mode SLC pour absorber les rafales d'écriture. Lorsque ce cache est plein, la vitesse d'écriture chute.

Questions fréquentes

Lequel est le meilleur, TLC ou QLC ?

La TLC est plus rapide et plus endurante, c'est donc le choix courant. La QLC est moins chère par gigaoctet et convient au stockage majoritairement en lecture, mais elle s'use plus vite.

Pourquoi l'endurance baisse-t-elle quand le nombre de bits par cellule augmente ?

Plus de bits par cellule signifie davantage de niveaux de tension de seuil plus rapprochés : l'élargissement de ces niveaux causé par l'usure provoque donc plus tôt des erreurs de lecture.

Qu'est-ce qu'un cache SLC ?

De nombreux SSD TLC et QLC utilisent une partie de leur espace en mode SLC rapide pour absorber les rafales d'écriture. Lorsque ce cache est plein, la vitesse d'écriture chute.

Combien de niveaux de tension la QLC doit-elle distinguer ?

Seize, contre 2 pour la SLC, 4 pour la MLC et 8 pour la TLC.

Vérifier vos connaissances

Combien de bits une mémoire flash de type SLC (Single-Level Cell) stocke-t-elle par cellule ?

  1. A2 bits
  2. B4 bits
  3. C1 bit
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Réponse : C. 1 bit

La SLC stocke 1 bit (2 états) par cellule. Les états étant faciles à distinguer, l'écriture est rapide, l'endurance élevée (environ 100 000 cycles), et la rétention comme la tenue en température sont bonnes ; en revanche, la capacité pour un même nombre de cellules est la plus faible. Elle est donc utilisée pour les équipements industriels et automobiles exigeant une grande fiabilité. La MLC stocke 2 bits, la TLC 3 bits et la QLC 4 bits.

Quel classement de la SLC, de la MLC et de la TLC par nombre de réécritures possibles décroissant est correct ?

  1. ATLC > MLC > SLC
  2. BSLC > MLC > TLC
  3. CMLC > SLC > TLC
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Réponse : B. SLC > MLC > TLC

Moins une cellule stocke de bits, plus l'espacement entre états de tension de seuil est large, et plus la lecture reste correcte même lorsque l'oxyde se dégrade et que les distributions s'élargissent : le nombre de réécritures augmente. En général SLC > MLC > TLC > QLC, avec pour ordres de grandeur environ 100 000 cycles pour la SLC, quelques milliers à 10 000 pour la MLC, quelques milliers pour la TLC et environ 1000 pour la QLC. Le mode SLC est utilisé pour les applications industrielles exigeant une grande endurance et pour les zones de cache des SSD.

Dans une flash NAND QLC (4 bits par cellule), combien d'états de tension de seuil une cellule doit-elle distinguer ?

  1. A4
  2. B8
  3. C16
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Réponse : C. 16

Stocker N bits par cellule exige de distinguer 2ᴺ états de tension de seuil, soit 2⁴ = 16 états pour la QLC. La plage de tension de seuil utilisable (quelques volts) étant à peu près la même, l'espacement entre états tombe à environ un quinzième de celui de la SLC, et l'écriture exige un contrôle plus fin. La QLC écrit donc lentement et a une endurance faible, mais offre un faible coût par capacité ; elle sert dans les centres de données à dominante lecture et les SSD de grande capacité.

  1. Dans les SSD TLC ou QLC, quel est l'objectif principal du mécanisme qui utilise une partie de la mémoire en mode SLC pour absorber temporairement les écritures ?
  2. Quelle valeur est la plus proche de l'ordre de grandeur du nombre de réécritures possibles d'une mémoire flash NAND SLC ?
  3. Dans une flash NAND multiniveau (MLC ou TLC), pourquoi attribue-t-on aux états de tension de seuil adjacents des séquences de bits ne différant que d'un bit ?

Questions d'entraînement sur SRAM et mémoire flash

Termes clés expliqués

SLC (cellule à un niveau)
Mode de mémoire flash stockant 1 bit par cellule. Avec seulement deux états de tension de seuil, il est plus rapide et supporte plus de cycles de réécriture que les modes multiniveaux.
TLC (cellule à trois niveaux)
Mode de stockage de 3 bits par cellule de mémoire flash. Il faut distinguer 8 états de tension de seuil ; le coût par capacité baisse mais l'endurance en réécriture diminue. 4 bits par cellule correspond au QLC.
Mémoire flash NAND
Mémoire non volatile dont les cellules sont connectées en série. Très dense et facile à porter à grande capacité, elle est utilisée dans les SSD et les cartes mémoire.
3D NAND
Flash NAND dont les cellules sont empilées verticalement en grand nombre pour augmenter la capacité. Introduite pour dépasser les limites de la miniaturisation planaire, elle dépasse 200 couches.

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