L’innovation la plus récente n’est pas systématiquement la plus performante. On observe récemment que les fabricants de SSD font des concessions sur la vitesse et la fiabilité pour pouvoir proposer une capacité de stockage accrue. Si les protocoles comme NVMe et PCIe gagnent en rapidité, certains SSD montrent une régression.
Le problème du flash QLC
La fabrication des disques SSD représente un coût important, et peu de consommateurs sont enclins à débourser 200 $ pour un SSD de 512 Go lorsqu’ils peuvent acquérir des disques durs mécaniques de « 2000 Go » pour moins de 50 $. Les grandes capacités de stockage sont très demandées sur le marché.
Les constructeurs de SSD augmentent les capacités de stockage tout en abaissant les coûts, ce qui nuit cependant aux performances et à la durabilité. Les SSD de grande capacité deviennent plus abordables, mais chaque avancée technologique dans le domaine des SSD s’accompagne de compromis. On assiste actuellement à l’essor des SSD Quad Level Cell (QLC), qui peuvent stocker 4 bits d’information par cellule mémoire. Bien que le QLC n’ait pas totalement remplacé les SSD standards, quelques disques utilisant cette technologie ont fait leur apparition sur le marché, et ils présentent des difficultés.
Plus concrètement, les fabricants de SSD doivent trouver un moyen d’intégrer davantage d’espace dans les puces flash NAND de même taille (qui sont l’élément de stockage des données du SSD). Auparavant, cette augmentation de capacité était obtenue grâce à une réduction de la taille des nœuds, qui rendait les transistors au sein du flash plus petits. Mais avec le ralentissement de la loi de Moore, l’innovation est devenue nécessaire.
La solution innovante a été l’introduction de la mémoire flash NAND multi-niveaux. La mémoire flash NAND est capable de maintenir un niveau de tension spécifique dans une cellule pendant une durée prolongée. Le flash NAND traditionnel stocke deux niveaux : activé et désactivé. C’est ce qu’on appelle le flash SLC, et il se distingue par sa rapidité. Toutefois, étant donné que la NAND stocke essentiellement une tension analogique, il est possible de représenter plusieurs bits avec des niveaux de tension légèrement différents, comme suit:
Le problème, comme illustré ici, est qu’il croît de manière exponentielle. Le flash SLC nécessite seulement une tension ou son absence. Le flash MLC nécessite quatre niveaux de tension, tandis que le TLC en exige huit. Et au cours de l’année écoulée, le flash QLC a fait son apparition sur le marché, nécessitant 16 niveaux de tension distincts.
Cette complexité engendre de nombreux problèmes. Plus on ajoute de niveaux de tension, plus il devient difficile de distinguer les bits. En conséquence, le flash QLC est 25% plus dense que le TLC, mais aussi nettement plus lent. La vitesse de lecture n’est pas significativement affectée, mais la vitesse d’écriture subit une forte diminution. La plupart des SSD (utilisant le nouveau protocole NVMe) atteignent environ 1500 Mo/s pour les lectures et écritures soutenues (c’est-à-dire lors du chargement ou de la copie de gros fichiers). Or, le flash QLC ne dépasse qu’une fourchette de 80-160 Mo/s pour les écritures soutenues, ce qui est inférieur aux performances d’un disque dur correct.
Les SSD QLC s’usent plus rapidement
Tous les SSD ont généralement une durabilité d’écriture inférieure à celle des disques durs. Chaque écriture dans une cellule d’un SSD provoque une usure progressive. L’effacement d’une cellule est censé la libérer des électrons, mais il en reste toujours quelques-uns, ce qui fait qu’une cellule « 0 » se rapproche de « 1 » avec le temps. Le contrôleur compense cela en appliquant une tension plus positive au fil du temps, ce qui fonctionne bien quand il y a une grande marge de tension à disposition. Mais ce n’est pas le cas avec le QLC.
Le SLC a une endurance d’écriture moyenne de 100 000 cycles de programmation/effacement (opérations d’écriture). Le MLC se situe entre 35 000 et 10 000. Le TLC tourne autour de 5 000. Mais le QLC n’atteint que 1 000. Cela rend le QLC inadapté aux lecteurs fréquemment sollicités, comme votre lecteur de démarrage, sur lequel les écritures sont très fréquentes.
En résumé, il est fortement déconseillé d’utiliser un disque QLC comme lecteur système pour votre système d’exploitation. Ils sont beaucoup trop peu fiables pour garantir qu’il ne se détériorera pas dans quelques années. Il est préférable d’utiliser un grand lecteur QLC comme alternative à un disque dur rotatif et de choisir un lecteur SLC, MLC ou TLC rapide comme lecteur principal du système d’exploitation. Cela peut être problématique pour les ordinateurs portables, où cette option n’est pas toujours possible, mais le QLC est encore une technologie récente et n’a pas encore pénétré massivement le marché des ordinateurs portables.
Le rôle du cache pour masquer les problèmes
Vous pourriez vous demander à ce stade pourquoi le QLC existe, alors qu’il est objectivement plus lent et s’use plus rapidement que les autres types de mémoire flash. Il est impossible de commercialiser ouvertement une technologie inférieure, mais les fabricants de SSD ont trouvé une méthode pour masquer le problème : la mise en cache.
Les SSD QLC dédient une partie du disque à un cache. Ce cache n’est pas affecté par les contraintes du QLC et fonctionne comme un flash SLC. Le cache est 75% plus petit que l’espace disque réel qu’il occupe, mais il est beaucoup plus rapide.
Les données du cache peuvent être écrites à la même vitesse que les autres SSD haut de gamme, puis le contrôleur les transfère progressivement vers les cellules QLC. Mais lorsque ce cache est plein, le contrôleur doit écrire directement dans les cellules QLC, ce qui entraîne une chute significative des performances lors des écritures longues.
Voici un exemple tiré d’un test de Tom’s Hardware du Crucial P1 500 Go, un SSD QLC grand public, qui illustre clairement ce problème :
La courbe rouge représentant le Crucial P1 indique des vitesses NVMe solides, bien qu’un peu moins performantes que certaines offres haut de gamme. Mais après environ 75 Go d’écritures, le cache est saturé et la vitesse réelle du flash QLC est mise en évidence. La courbe chute à environ 80 Mo/s, ce qui est plus lent que la plupart des disques durs pour les écritures soutenues.
L’ADATA XPG SX8200, un lecteur TLC, présente les mêmes caractéristiques, sauf que le flash TLC brut, après la chute de vitesse, reste plus rapide. La majorité des autres lecteurs utilisent également cette technique de mise en cache, car elle accélère les petites écritures rapides (qui sont les plus courantes). Cependant, ce sont les écritures soutenues qui sont les plus perceptibles – vous ne remarquerez pas si une petite copie de fichier prend 0,15 seconde contre 0,21 seconde, mais vous constaterez si une copie importante prend dix minutes de plus.
Il est possible de voir cela comme un cas extrême, mais il faut savoir que le cache ne reste pas indéfiniment à 75 Go. Plus le disque se remplit, plus le cache devient petit. Selon les tests d’Anandtech, pour la gamme Intel SSD 660p, le cache du modèle 512 Go est réduit à seulement 6 Go lorsque le disque est presque plein, même avec 128 Go d’espace restant.
Cela signifie que si vous remplissez votre SSD et que vous essayez d’installer un jeu de 20 à 30 Go à partir de Steam, les 6 premiers Go s’écriront extrêmement vite, puis vous commencerez à constater une vitesse d’écriture d’environ 80 Mo/s pour les fichiers restants.
Il est vrai que dans cet exemple, vous êtes probablement limité par la vitesse de téléchargement, mais dans le cas de mises à jour (qui nécessitent le téléchargement puis le remplacement des fichiers existants, ce qui requiert en réalité deux fois plus d’espace), le problème serait beaucoup plus manifeste. Vous auriez terminé le téléchargement, mais vous devriez attendre un temps considérable pour l’installation.
Faut-il éviter le QLC ?
Il est vivement recommandé d’éviter les disques QLC de 512 Go (et moins, quand ils deviendront moins chers à produire), car ils n’ont pas beaucoup de sens. Vous les remplirez beaucoup plus vite et le cache sera plus petit lorsqu’il sera saturé, ce qui le rendra considérablement plus lent. De plus, ils ne sont actuellement pas beaucoup moins chers que les alternatives.
Malgré ses défauts, le flash QLC n’est pas un problème majeur si l’on considère les disques de grande capacité. Le modèle 2 To du 660p dispose d’un minimum de 24 Go de cache une fois rempli. Il s’agit toujours de flash QLC, mais c’est un compromis acceptable pour un SSD de 2 To bon marché, qui fonctionne très rapidement la plupart du temps.
Compte tenu de leurs capacités importantes, les SSD basés sur QLC peuvent constituer une alternative convenable à un disque dur rotatif, à condition que vous effectuiez des sauvegardes régulières pour parer à toute défaillance. Il est particulièrement adapté aux données que vous consultez rarement, mais dont vous souhaitez un accès rapide, et avec un cache SLC de taille convenable, la plupart des opérations d’écriture soutenues seront assez rapides jusqu’à ce que le disque soit rempli.
En raison des problèmes de fiabilité, il est déconseillé de l’utiliser comme lecteur de démarrage ou pour tout ce qui nécessite des écritures fréquentes.
Des améliorations sont encore à prévoir dans d’autres aspects de la fabrication : de meilleurs contrôleurs capables de gérer davantage de puces flash, des puces flash moins chères à mesure que les nœuds de traitement arrivent à maturité, et peut-être de nouvelles technologies. Le flash QLC ne s’imposera pas comme une norme dans un avenir proche; pour l’instant, il ne s’agit que d’une option supplémentaire. Il est essentiel de vérifier les spécifications techniques lors de l’achat d’un SSD, et de prêter attention au type de flash utilisé pour sa fabrication.