Mlc 3d nand


Трехмерная память MLC 3D NAND: преимущества и перспективы

Трехмерная память MLC 3D NAND –очередной этап развития твердотельных накопителей. Преимущества и перспективы этой технологии на ближайшее будущее.

SSD-накопители информации, как известно, производятся для бытового использования, в основном, двух типов: MLC и TLC. Судить о том, что лучше - MLC или TLC – не имеет особого смысла, так как каждый тип имеет свои преимущества и недостатки.

В последнее время на производстве твердотельной памяти стала использоваться технология трехмерного формирования ячеек - 3D NAND. Это позволяет преодолеть главную проблему – ограничения размеров кристалла в длину и ширину. При трехмерном расположении слои ячеек накладываются один на другой и их плотность значительно увеличивается.

Увеличивается при этом и объем памяти, который можно разместить в одном кристалле. Больше того, увеличивается и скорость передачи информации между ячейками, так как они расположены более плотно. Однако все не так просто.

NAND технология выращивает слои ячеек на подложке путем осаждения полупроводников из паровой фазы. Адреса ячеек получаются как раз на местах пересечения битовый линий и строк из ячеек. То есть такой кристалл похож на вафлю. В 3D NAND технологии необходимо еще соединить между собой вертикальные слои. Для этого, после наращивания слоя, производится вытравливание отверстий, через которые и происходит соединение слоев между собой.

 

Эти отверстия должны быть очень точно расположены, строго вертикально, нигде не отклоняясь и не скручиваясь.  В настоящее время существуют ограничения по количеству слоев, которые способны протравить современные машины. Отношение высоты вертикального канала к его ширине пока составляет от 30:1 до 40:1. Поэтому количество слоев, которые можно уложить друг на друга и протравить в них вертикальные отверстия составляет 32 или 48.

Чтобы протравить отверстия с отношением 60:1 потребуются новые машины, но только это позволит создавать 3D NAND кристаллы памяти с 64 слоями ячеек.

3D MLC – что дальше

Первые накопители по технологии 3D NAND изготовили типа TLC. Это понятно, так как в одной ячейке TLC можно хранить 3 бита памяти, поэтому размеры такого кристалла с точки зрения изготовления более просты.

Но уже вскоре появились первые накопители  3D MLC NAND, которые хранили в одной ячейке всего 2 бита и позволили ускорить работу и увеличить надежность.  К слову сказать, трехмерная MLC 3D память потребляет и меньше энергии, так что ее применение будет только расширяться.

Дальнейшее развитие трехмерной технологии 3D NAND типа MLC будет идти двумя путями:

  • увеличением числа слоев;
  • укладкой 2 и более 3D-матриц  в одну структуру.
Для первого пути требуется создание новых машин для сверхточного травления вертикальных каналов с отношением длины к ширине как 60:1, 100:1 или 120:1.

Второй путь уже применяется для создания 96-слойных микросхем MLC 3D NAND путем соединения двух 48-слойных матриц. Этот метод получил название стринг-технологии и, в принципе, позволяет соединять и более 2 матриц.  Но пока стоимость таких накопителей не оправдывает вложений в их производство.

godnyesovety.ru

3D NAND – что это такое. Устройство и перспективы

В одном из предыдущих материалов мы «пробегались» по типам памяти, используемой в SSD-накопителях. Разбирались, в чем отличия MLC от TLC, какие у каждого типа достоинства и недостатки. Но это все была технология планарной памяти, а в тренде сейчас многослойность и третье измерение. 3D NAND – что это такое? Какие у него преимущества, перспективы и, вообще, оно нам надо? Давайте разберемся.

Почему планарная память так называется

В последние годы актуальной задачей стало создание емких, быстрых, надежных и компактных хранилищ данных. Смартфоны, планшеты, фото- и видеоаппаратура, прочая мобильная и не очень техника и, конечно же, бурно завоевывающийся рынок SSD-накопители. Требуются именно емкие и небольшие по размеру микросхемы памяти, учитывая ограничения, которые предъявляют некоторые твердотельные диски. Достаточно посмотреть на форм-фактор M.2 чтобы понять, что большого количества чипов на этой маленькой платке разместить действительно негде.

До некоторого времени увеличивать емкость можно было как минимум двумя способами:

  1. Увеличить количество бит, хранящихся в ячейке памяти. Так появилась MLC (2 бита в ячейке», потом ее активно стала вытеснять TLC (уже 3 бита на ячейку).
  2. Уменьшить физический размер ячейки, для чего использовались все боле тонкие техпроцессы. Так, на смену 32 нм техпроцессу пришел 24 нм, его сменил 19 нм, последний, используемый сейчас, техпроцесс – это 15 нм.

Для увеличения емкости кристалла используют оба способа, но дело в том, что последний, 15 нм техпроцесс, действительно последний, т. к. достигнут технологический предел уменьшения физического размера ячеек, и 15 нм действительно является последним техпроцессом, по которому производят привычную NAND-память.

Что собой представляет NAND-память

Если рассмотреть архитектуру памяти, то единицей хранения информации является транзистор. Традиционно используются транзисторы с плавающим затвором, в котором и хранится один, два или три бита информации. Количество этих битов зависит от типов памяти, о которых можно прочитать в другом материале.

Упрощенная схема NAND-памяти представлена на рисунке. Ячейки (они же транзисторы) соединяются последовательно по 16 или 32 ячеек в группе, образуя страницы, из которых формируется блок. Можно представить себе этакое плоское поле, все утыканное ячейками памяти.

Один из недостатков такой организации памяти – в необходимости оперировать не отдельными битами или байтами, а блоками данных, т. е. произвольный доступ к отдельной ячейке невозможен. Если в случае чтения это не является проблемой, то с записью возникают сложности. Для изменения одного бита приходится считывать блок данных, изменять его и записывать обратно.

Это требует выполнения определенных действий (и времени) по программированию ячеек при записи. Причем перезаписываются даже те ячейки, которые не изменялись. Отсюда и вытекает ограниченность количества циклов перезаписи, о которой часто говорят применительно к твердотельным накопителям. Особенно актуально это стало в связи с массовым распространением трехбитовых (TLC) ячеек. Что ж, ради снижения стоимости чипов памяти приходится чем-то жертвовать.

Подобное соединение ячеек позволяет плотно разместить их на кристалле, чем достигается высокая емкость чипов памяти. Чем больше информации можно разместить на единице площади кристалла, тем ниже себестоимость конечного продукта, в данном случае – SSD-диска.

Как было сказано, бесконечно уменьшать размер ячеек нельзя, как и увеличивать плотность их расположения. 15-нм техпроцесс подошел к тому пределу, когда двигаться дальше уже некуда. Ячейки настолько малы, что при дальнейшем их уменьшении заряд начнет «перетекать» из одной ячейки в другую, что, естественно, недопустимо.

3D NAND – что это, спасение?

Можно сказать, что да. Если стоимость кристалла памяти зависит от его размера, а уплотнять его уже не представляется возможным, то почему бы не перейти от двумерной (планарной) организации ячеек к трехмерной, развернув их вертикально? В этом фундаментальное отличие 3D NAND от старой, «плоской» системы размещения ячеек.

Ячейка в данном случае имеет форму цилиндра, в котором внешний слой – это управляющий затвор, внутренний – изолятор и между ними слой, хранящий биты информации слой. Эти цилиндры размещены вертикально, образуя стек, это позволяет убить сразу не одного зайца. Мало того, что существенно возросла емкость кристалла, так еще и появилась возможность откатиться немного назад, вернувшись на более «толстые» техпроцессы, снизив взаимовлияние соседних ячеек друг на друга и риск перетекания заряда из одной ячейки в другую.

Первой такую память сделала компания Samsung, назвав ее V-NAND (V – от слова vertical, вертикальная). Первое поколение имело 24 слоя, второе – 32, а в последнем, третьем поколении используются уже 48 слоев. Компании Micron, Toshiba представили свои чипы памяти позже, и производят их уже с 64-мя слоями.

Причем, наблюдается и разница в подходах к архитектуре этих микросхем и расположению их на кристалле.

Micron располагает управляющие элементы под NAND ячейками, что экономит место на кристалле, позволяя увеличить его емкость. Мало того, хотя Samsung и Toshiba отказались от технологии плавающего затвора, воспользовавшись технологией CTF (Charge Trap Flash), которая использует изолированную область для хранения заряда (именно изолированность позволяет снизить утечки, повысить надежность памяти), в Micron остались верны плавающему затвору.

В Toshiba управляющие элементы расположены в верхней части, что, по мнению компании, позволяет этим элементам меньше подвергаться нагреву. К тому же линии ячеек как бы свернуты, напоминая букву «U», а не расположены в одну линию. Все это позволяет добиться снижения количества ошибок при операциях чтения/записи. Ну и, как было сказано чуть выше, используется технология CTF. Сама Toshiba называет свою трехмерную память BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).

В общем, подходы разные, и что лучше или хуже – будет ясно после того, как появится достаточное количество накопителей с чипами памяти разных производителей, которые можно будет сравнить, устроив тестирование, накопится определенная статистика использования.

Итак, трехмерная память сняла остроту необходимости утончать техпроцесс, как один из способов увеличения емкости чипов. Правда, при этом возникли некоторые другие технологические сложности, которые, судя по бодрым анонсам практически всех чипмейкеров, успешно преодолеваются. Так, SK Hynix планирует в скором времени перейти на производство 72-слойных чипов. Та же Toshiba отлаживает выпуск 64-слойных чипов, предлагая их сейчас с емкостью 256 Гб (32 ГБ), а в скором времени ожидается выпуск 3D NAND чипов с емкостью 512 Гб (64 ГБ).

Судя по всему, второе полугодие обещает быть интересным. Увеличится емкость чипов, будут предложены кристаллы с бОльшим количеством слоев.

Что такое технология CTF

В чем суть этой технологии? Разница заключается в области, в которой хранится заряд, и материала, из которого эта область выполнена. Классический транзистор с плавающим затвором, помимо обычных стока, истока, и затвора, называемого в данном случае «управляющим затвором», имеет и еще одну область – расположенный в слое диэлектрика проводник, называемый «плавающим затвором», в котором, собственно, и накапливается заряд. В нем-то и хранятся биты данных. В качестве диэлектрика используется диоксид кремния SiO2.

Транзистор, выполненный по технологии CTF (Charge Trap Flash) сделан несколько иначе. Собственно, область, где хранится заряд, выполнена из нитрида кремния Si3N4, обладающего рядом отличительных свойств. Так, являясь, по сути, диэлектриком, этот материал способен хранить заряд, что позволяет использовать его в качестве запоминающей ячейки.

По сравнению с диоксидом кремния (SiO2), бОльшая концентрация электронных и дырочных ловушек нитрида кремния как раз и позволяет использовать материал для хранения данных.

При этом такой параметр, как диэлектрическая проницаемость у нитрита кремния (Si3N4) выше, чем у диоксида кремния - 7 против 3.9, что позволяет снизить токи утечки и более надежно хранить заряд.

Отсюда становится понятной аллегория, озвученная лидером в разработке 3D NAND памяти, компанией Samsung, что транзисторы с плавающим затвором – это вода, а с ловушкой заряда – это сыр. Плавающий затвор (вода) слабо препятствует перемещениям зарядов и их попыткам вообще покинуть эту область (утечка), в то время как ловушка заряда подобна «сыру», существенно ограничивающая возможность этих перемещений и попытки вырваться на «свободу».

Среди достоинств этой технологии обычно указывают:

  • Увеличение надежности и упрощение хранения нескольких бит в одной ячейке.
  • Упрощение производства за счет уменьшения количества технологических операций.
  • Меньший размер ячейки.
  • Более высокий процент выхода годных.

Различают несколько вариаций изготовления слоев транзистора в зависимости от материалов:

  • SONOS – Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon.
  • MONOS – Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon.
  • TANOS – Titanium-Alumina-Nitride-Oxide-Silicon.
  • THNOS – Titanium-high-k dielectric-Nitride-Oxide-Silicon.

Где предел 3D NAND?

Ну хорошо, количество слоев памяти растет, а где предел, не получится ли так, что вскорости будет достигнут лимит количества слоев, и придется искать альтернативы? Ответ кроется в технологических проблемах и способах их решения.

Если вкратце, и очень упрощенно, то производство многослойной памяти заключается в напылении n-го количества слоев на кремниевую пластину, образующие линии слов (word line), а другая операция заключается в травлении огромного количества отверстий (high aspect ratio etch) через эти слои, чтобы впоследствии сформировать линии битов (bit line). В пространстве линии слов и битов ориентированы перпендикулярно друг другу, а главные сложности кроются именно в отверстиях.

Еще пару лет назад заявлялось, что есть технологические проблемы с травлением отверстий в слоях, количество которых достигает 60-70. Правда, сейчас, когда 64-слойная память – уже реальность, а на горизонте 72-слойная, и есть разговоры про более многослойные варианты, с этой проблемой удается справиться. Вопрос, как?

Один из вариантов – технология «string stacking». Если не вдаваться в технические подробности, то это установка отдельных чипов памяти (которые сами по себе многослойные) друг на друга (стекирование) с последующим соединением таким образом, чтобы этот многослойный бутерброд распознавался как единое целое, как одна микросхема. Таким образом, использовав чипы 3D NAND с 32-мя слоями, можно получить итоговый чип с 64 (2 слоя чипов), 96 (3 слоя чипов) и т. д. слоями. Но и тут есть сложности технологического порядка, в первую очередь связанные именно с соединением и коммутацией чипов, которые находятся на этапе решения.

Еще один момент – а сколько вообще слоев может быть? Где предел, при котором микросхема не станет слишком толстой? Если рассматривать с теоретической точки зрения, то можно провести следующие грубые прикидки.

Высота слоев 32-слойной 3D NAND от Samsung составляет около 4 мкм. При этом полупроводниковые пластины, используемые в производстве микросхем, имеют толщину 625-775 мкм в зависимости от диаметра. Одним из завершающих этапов производства чипов (правда не всегда используемый) является сошлифовывание (back-grinding) обратной стороны этой пластины до толщины порядка 50-75 мкм. Это уменьшает размеры кристалла и облегчает упаковку готовой микросхемы в корпус, да и для стекирования чипов подходит как нельзя лучше.

Если взять толщину 32-слойного чипа памяти и толщину 300-мм пластины, которая составляет 775 мкм, то, в теории, можно уложить более 190 слоев чипов памяти прежде, чем их толщина превысит толщину исходной пластины (775 / 4 = 193.75).

Конечно, это только в теории, и, скорее всего, таких значений достигнуто не будет, но это иллюстрирует, что «запаса прочности» у технологии 3D NAND вполне достаточно. Главное – решить текущие технологические проблемы именно с укладкой чипов друг на друга и их соединением. Если же это будет выполнено, то количество слоев (чипов) может исчисляться десятками и сотнями, а количество слоев ячеек может достигать многих сотен. Возможную емкость подобных микросхем попробуйте посчитать самостоятельно.

Либо искать решение проблемы с травлением отверстия в многослойных кристаллах. В конце концов, подробностей о том, как выполнены представленные 64-слойные чипы, а также уже анонсированные 72-слойные, нет. Возможно, удалось все же найти разобраться с травлением, либо присутствуют какие-то другие решения.

В общем, в теории перспективы вполне радужные, что будет на практике?

Проблема параллелизма операции чтения/записи

Увеличение емкости, несомненно, благо, т. к. в небольшом форм-факторе (в том же M.2) можно получить накопители объемом в несколько терабайт. Вот только возникла одна проблема: при высокой емкости чипов становится сложным распараллелить операции чтения/записи. В первую очередь это касается накопителей небольшого объема.

Это хорошо характеризует такой печально известный своей низкой производительностью накопитель Intel 600p. Дело в том, что в нем используются чипы памяти емкостью 384 Гб (48 ГБ) производства Micron, и для того, чтобы получить емкость накопителя в 128 ГБ, надо всего 3 такие микросхемы. Для 256-гигабайтного накопителя используются 6 микросхем и т. д.

Казалось бы, меньше микросхем – больше места для их размещения. Это так, но большинство контроллеров, особенно в сегменте производительных моделей, имеют 4 или 8 каналов, обеспечивающих параллельный доступ к памяти. Если микросхем памяти 3 (6, 9…), то как задействовать все доступные каналы? В том то и дело, что никак. Вместо использования всех 8-ми (или 4-х) каналов приходится ограничиваться использованием только шести (3-х). Получается, что контроллер работает не на полную мощь, отсюда – падение производительности.

В общем, вырисовывается некоторая проблема именно с накопителями низкой емкости. Возможно, стоимость их будет невелика, но и скоростные показатели будут там же. Получается, что если хочется скорости, то пожалуйте приобретать более емкие накопители. А стоимость?

Заключение. 3D NAND – это то, с чем нам жить

Ни для кого не секрет, что за 3D NAND будущее, и в самом ближайшее время начнется (если уже не началось) активное вытеснение планарной памяти. Все будет зависеть от стоимости решений, производственных возможностей производителей, в первую очередь Micron, Toshiba, и, возможно, SK Hynix, если дело двинется дальше анонсов. Про Samsung говорить нечего, т. к. свои чипы 3D памяти они, фактически, никому не поставляют.

Думается, бюджетные SSD-накопители продержатся еще какое-то время, а вот производительные решения, и, в первую очередь, твердотельные диски, работающие на шине PCIe, будут активно мигрировать именно на 3D NAND.

andiriney.ru

Как выбрать SSD диск и что такое «SLC», «MLC», «TLC», «3D NAND»?

Читайте о конструктивных особенностях твердотельных накопителей. На что стоит обращать внимание при покупке SSD диска, какие у них преимущества и недостатки.

Содержание:

Введение

Независимо от видов устройств, все они применяются в личных и деловых целях, но основная нагрузка среди них приходится на стационарные персональные компьютеры и ноутбуки. Важным внутренним элементом современных компьютеров, отвечающим за безопасное хранение данных и мгновенный доступ к ним в любой момент времени, несомненно является внутреннее запоминающее устройство. Наиболее распространенным стационарным хранилищем информации, обеспечивающим высокую скорость чтения/записи данных и обладающим самыми большими емкостными характеристиками, является жесткий диск («HDD»). Одним из главных преимуществ, несомненно влияющим на повышенное внимание пользователей к данному хранилищу, стоит выделить относительно низкую стоимость жестких дисков при значительных объемах внутреннего полезного дискового пространства, что выражается в самой низкой себестоимости одного гигабайта информации, хранящегося на таком устройстве.

Но в последнее время большую популярность приобретает другой вид запоминающего устройства, подкупающий своими высочайшими скоростными характеристиками при обработке данных, превышающими аналогичные значения жестких дисков в несколько раз, – твердотельные накопители «SSD». Они имеют сравнительно меньшие размеры за счет другого внутреннего организационного построения, не издают шума как аналогичные жесткие диски по причине отсутствия движущихся частей, гораздо более устойчивы к внешним повреждениям (например, вызванным в результате падения накопителя) и обладают рядом функциональных особенностей, отличающих их от жестких дисков, одним из которых является уменьшенное значение внутреннего объема накопителя.

И далее мы подробнее остановимся на представлении конструктивных особенностей твердотельных накопителей и представим описание одного из образцов, относительного не дорогого варианта, современного «SSD» хранилища.

Особенности конструкции и строения твердотельных накопителей

Понятие твердотельный накопитель проистекает из особенностей конструктивных элементов, с помощью которых реализуется технология записи, чтения и хранения информации. И следуя их свойствам можно утверждать, что твердотельный накопитель «SSD» («Solid State Drive») представляет собой электронное самодостаточное запоминающее устройство, способное хранить данные при отсутствии электрического питания, и полноценное функционирование которого осуществляется посредством применения комплекса внутренних микросхем и управляющего контроллера на основе полупроводниковой технологии.

Конфигурационное устройство накопителя информации «SSD» подразумевает обязательное наличие нескольких основных элементов, присутствующих в обязательном порядке в большинстве запоминающих устройств.

Самый массовый вид твердотельных накопителей построен на принципах хранения информации при помощи микросхем флэш-памяти «NAND», в зависимости от емкости накопителя имеющий один или несколько таких блоков. «NAND» флэш-память применяется для хранения пользовательских данных в блоках энергонезависимой (не требующей питания для поддержки целостности данных) памяти. Отдельным элементом может выступать память «DDR», владеющая небольшим количеством энергозависимой памяти (непосредственно требует питания для хранения данных), используемой для кэширования информации для последующего доступа, и присутствует не в каждом варианте твердотельного запоминающего устройства «SSD». И в дополнение к основной конструкции важным элементом устройства выступает контроллер, который концентрирует и обеспечивает основное соединение между «NAND» флэш-памятью и компьютерным устройством, а также содержит программную прошивку, которая отвечает за полноценное управление запоминающим накопителем «SSD». Помимо прочего, контроллер хранит сведения о том, какие и сколько раз использовались блоки памяти для сохранения информации, определяет степень их износа (истирания) и перенаправляет запись новых данных на менее изношенные блоки для более равномерной выработки памяти накопителя.

Такой технологический союз электронных компонентов позволяет применять твердотельные накопители «SSD» в качестве универсального хранилища данных как единственное запоминающее устройство (например, в неттопах, планшетах, нетбуках, коммуникаторах и т.д.), так и использовать совместно с жесткими дисками, образуя разделение приоритетов (например, операционная система установлена на твердотельном устройстве «SSD», а основной объем данных, который не предъявляет особых скоростных требований, располагается на жестком диске «HDD»). А иногда и встраиваться в общий корпус с магнитными дисками, образуя единые гибридные жесткие диски.

Преимущества и недостатки твердотельных накопителей «SSD»

Благодаря своему особому строению и подходу к процессам хранения и чтения/записи информации, твердотельные накопители «SSD» получают значительные преимущества в сравнении с жесткими дисками «HDD», основные отличия которых сосредоточены в следующих параметрах:

  • Гарантированное устойчивое постоянное время считывания файлов, которое абсолютно не зависит от таких факторов, как месторасположение данных на диске и степени дробления и размеров частей;
  • Отсутствие механических элементов способствует серьезному увеличению, по сравнению с диском «HDD», скорости чтения/записи данных, абсолютно тихой работе устройства полностью без лишнего шума и поддержанию высокой надежности от механических видов воздействия на протяжении всего срока эксплуатации;
  • Высокая производительность, превышающая аналогичные показатели дисков «HDD» в несколько раз, благодаря способности осуществлять запуск множества одновременных произвольных операций и не требуя обязательных механических перемещений аппаратных элементов, как в жестких дисках (например, запуск вращения дисков или изменения расположения блока магнитных головок) для выполнения задания;
  • Продвинутая полупроводниковая технология способствует низкому уровню энергопотребления, значительному снижению чувствительности к электромагнитному воздействию, а также позволяет уменьшить габаритные размеры и общий вес устройства, создавая новый отраслевой стандарт.

Однако несмотря на присутствие многих факторов, существенно опережающих показатели жестких дисков по отдельным представленным параметрам, твердотельные накопители имеют ряд недостатков, ощутимо заметных в сравнении с самым массовым хранилищем данных «HDD», которые серьезно ограничивают их применение:

  • Конечное количество циклов записи информационных материалов, ограниченное технологическими возможностями различных видов «NAND» флэш-памяти, применяемыми в устройствах различной ценовой категории, подробнее которые мы рассмотрим в следующем разделе;
  • Высокая себестоимость единицы памяти твердотельного накопителя «SSD», даже с учетом постоянно снижающегося, за счет усовершенствования технологии производства и используемых материалов, общего значения цены запоминающего устройства, в разы превышающая аналогичные показатели стоимости единицы памяти жесткого диска;
  • Образцы моделей твердотельных устройств малой стартовой емкости ограничены более низким уровнем производительности в меру своих конструктивных особенностей;
  • Общая эффективность накопителей напрямую зависит от граничных объемов данных и может иметь временное снижение продуктивности при работе с информацией повышенной емкости или при использовании более медленных программных страниц памяти;
  • «SSD» накопители подвержены, зачастую неожиданным, поломкам отдельных узлов (например, микросхем памяти «NAND» или контроллера), слабая защита от помех при выполнении операций чтения/записи, присутствует определенный риск возникновения внутренних ошибок кодов коррекции;
  • Повышенная сложность или полное отсутствие возможности восстановления данных по причине скачков при подаче напряжения и массового применения в устройствах команды «TRIM», способствующей непосредственному безвозвратному удалению информации.

Однако несмотря на наличие конкретных недостатков, технологии создания полупроводниковых устройств памяти «SSD» развиваются и стремительно приближаются, по многим критериям, к полноценной замене вариантов жестких дисков «HDD», или, по крайней мере, к их равноценному обоюдному применению.

Основным элементом твердотельного накопителя, отвечающим за постоянное и безошибочное хранение данных, без преувеличения необходимо назвать «NAND» флэш-память, на описании вариантов которой необходимо остановиться более подробно.

Флэш-память «NAND» состоит из огромного множества ячеек, которые содержат биты, и они либо включаются, либо выключаются в зависимости от подачи на них электрического заряда. Способ организации ячеек флэш-памяти «NAND» обусловлен наличием управляемых транзисторов с плавающим затвором, которые регулируют принудительную подачу заряда, благодаря чему происходит процесс создания большой напряжённости электрического поля, выраженный в непосредственной записи или стирании информации в ячейки. Количество битов для записи данных в ячейках определяет наименование флэш-памяти и варьируется от одного до нескольких бит, например, флэш-память одноуровневой ячейки («SLC») содержит один бит в каждой ячейке.

Печатная плата запоминающего устройства, содержащая «NAND» память, контроллер и память «DDR», обладает соответствующими отраслевыми стандартными размерами для беспроблемной установки в разнообразные компьютерные устройства. Поэтому производители применяют технологию увеличения количества зарядов на плавающем затворе транзистора, позволяющую соответственно размещать в одной ячейке большее количество бит, увеличивая их до двух в памяти «MLC», или повышая общее количество бит в ячейке до трех в памяти «TLC». Такой подход обусловлен стремлением значительно удешевить конечный продукт и серьезно увеличить его полезную емкость, а память получила соответствующую классификацию многоуровневая.

Однако существуют конкретные причины, по которым производители, наряду с высокоемкостными накопителями на базе многоуровневых вариантов памяти, собирают флэш-память с одним битом на ячейку, например, одноуровневая память «SLC». Преимущество «SLC» заключается в том, что память является самой быстрой и долговечной из представленных образцов, но имеет недостатки, получившие свое отражение в более затратном производстве и сравнительно малой конечной емкости хранения в гигабайтах. Поэтому «SLC» предпочтительнее для интенсивного использования на предприятиях, готовых потратить значительные средства на покупку дорогостоящих запоминающих устройств на базе одноуровневой памяти.

Флэш-память с использованием технологии «MLC» и «TLC» по сравнению с «SLC» ощутимо дешевле в производстве и представлена с более высокой емкостью хранения, но за счет сравнительно короткого срока службы, более медленных скоростей и увеличенного времени доступа предлагает значительно меньшее количество гарантированных циклов чтения/записи информации. Поэтому твердотельные накопители «SSD» на основе памяти «MLC» и «TLC» предпочтительны для повседневного использования на потребительских компьютерных устройствах.

Осознание собственных потребностей в определенных вычислительных мощностях и понимание основ устройства и функционирования флэш-памяти «NAND» не только поможет пользователям выбрать правильный вариант накопителя «SSD», учитывая разнообразные критерии отбора (например, обоснованная себестоимость одного гигабайта информации, выраженного в цене продукта), но и позволит более ответственно подходить к вопросу его эксплуатации.

Плотное расположение ячеек на пластине флэш-памяти «NAND», последующее уменьшение их размера для увеличения общего количества, влияющее на емкость устройства, ограничены единичным размером ячейки, который на сегодняшний день, по ряду причин, не может быть менее 14 нм.

Однако существующая эффективность и емкость твердотельных накопителей «SSD» требует увеличения общего числа ячеек. С этой целью ведущие производители кристаллов «NAND» памяти разработали и применили технологию вертикального расположения слоев кристаллов в одной плоскости, начав с нескольких слоев для увеличения плотности и успешно освоив создание 96-слойной памяти.

Такой вариант памяти получил название «3D NAND», применение которой позволило существенно повысить емкость кристалла и вернуть техпроцессы производства к более привычным и менее затратным величинам.

Благодаря внесенным изменениям объем конечных твердотельных накопителей существенно возрос, а скорость обработки и количество процессов чтения/записи увеличились на порядок.

Каждая ячейка одноуровневой флэш памяти «SLC» обладает лишь двумя уровнями заряда на плавающем затворе и хранит только один бит информации, который может быть включен или выключен соответствующей подачей.

Изменение заряда в ячейках сопряжено с накоплением необратимых изменений в их структуре, и потому гарантированное количество записей для каждой ячейки флэш-памяти ограничено.

Преимущество такого типа флэш-памяти заключается в способности наиболее точно осуществлять процесс чтения и записи данных, а также обеспечивать значительную продолжительность этих циклов. Предполагается, что подтвержденный жизненный цикл программы чтения/записи будет гарантированно составлять от 90000 до 100000. Такие возможности позволяют запоминающим устройствам, реализованным на основе использования одноуровневых ячеек памяти «SLC», успешно быть задействованными и отлично зарекомендовать себя на корпоративном рынке, во многом благодаря своему длительному сроку службы, точности и общей производительности. Применение данных устройств для домашних компьютеров с таким типом «NAND» памяти минимально по причине их высокой стоимости и незначительной емкости хранения.

Неоспоримыми преимуществами можно назвать:

  • Самый длинный срок службы и максимальное количество циклов перезаписи по сравнению с любым другим типом флэш-памяти.
  • Более надежная защита операций чтения/записи от реальных помех и образования сбойных ячеек.
  • Способна полноценно функционировать в существенно более широком температурном диапазоне.

Также необходимо выделить отдельные недостатки:

  • Самый дорогой тип «NAND» флэш-памяти из всех представленных видов на рынке.
  • Часто накопители с основным источником памяти «SLC» ограничены только небольшими доступными объемами.

В основном, такие твердотельные устройства рекомендуются для промышленного использования и применения в отраслях с внушительными рабочими нагрузками, требующих огромного количества циклов чтения/записи. Ярким примером обоснованного использования может служить установка устройств с одноуровневой памятью «SLC» в серверах.

Память на основе многобитовых ячеек «eMLC» представляет собой разновидность флэш-памяти базовой многоуровневой ячейки «MLC» с той лишь разницей, что она оптимизирована для непосредственного применения в корпоративном секторе, имеет более высокую производительность и долговечность, а также обеспечивает более стабильное функционирование процессов чтения/записи из ячеек памяти. Гарантированное заявленное количество жизненных циклов чтения/записи данных составит от 20000 до 30000. Вариант памяти с ячейками «eMLC» предоставляет более дешевую альтернативу запоминающим устройствам, исполненным с применением одноуровневых ячеек «SLC», но при этом сохраняет отдельные преимущества «SLC» и обеспечивает приемлемое достаточное количество циклов перезаписи.

К положительным свойствам данного вида ячейки можно отнести:

  • Более дешевая альтернатива корпоративных твердотельных накопителей «SSD» в сравнении с устройствами на базе памяти с одноуровневыми ячейками «SLC».
  • Имеет лучшую производительность, помехоустойчивость, защиту от ошибок и выносливость по сравнению со стандартными ячейками «MLC».

Из отрицательных свойств ячейки «eMLC» необходимо отметить:

  • Не соответствует уровню производительности и гарантированному подтвержденному сроку эксплуатации хранилищ данных «SSD», использующих флэш-память «NAND» с однобитовыми ячейками «SLC».

Рекомендации по использованию аналогичны представленным в предыдущем разделе для твердотельных накопителей «SSD» с памятью, состоящей из одноуровневых ячеек «SLC», например, корпоративное, промышленное и серверное применение, а также процессы с повышенной рабочей нагрузкой, содержащие большое количество циклов перезаписи данных.

Многобитовая ячейка «MLC», как следует из названия, хранит несколько бит данных в одной ячейке. Обычно под сокращением «MLC» принимают память с четырьмя уровнями заряда, что позволяет располагать в каждой ячейке по два бита. Большим преимуществом такой организации памяти является более низкая стоимость производства и на порядок большая емкость конечного хранилища данных, по сравнению с производством и внутренним объемом флэш-памяти на основе ячеек формата «SLC». Значительно меньшие затраты на изготовление запоминающего устройства «SSD» несомненно отражаются на его цене в сторону уменьшения, чем серьезно повышают привлекательность для потребителей, и по этой причине флэш-память «MLC» очень популярна среди многих компаний-производителей. Заявленные циклы перезаписи многобитовой ячейки «MLC» варьируются в пределах 10000 на ячейку, что задает предпочтение использовать флэш-память «MLC» для потребительских твердотельных накопителей.

Выделяются следующие достоинства флэш-памяти с многобитовыми ячейками «MLC»:

  • Более низкие производственные затраты и, как следствие, значительно меньшая стоимость накопителей «SSD» для конечного пользователя.
  • Гораздо более надежная память по сравнению с вариантом «TLC».

Их слабых мест стоит отметить:

  • Уровень долговечности и надежности в разы уступает показателям одноуровневых ячеек «SLC» или корпоративным твердотельным накопителям на их основе.
  • Более высокое время доступа и достаточно низкий ресурс в сравнении с «SLC».

Флэш-память «NAND», содержащая многоуровневые ячейки «MLC», обладает прекрасными показателями и превосходно подходит для повседневного потребительского использования и игрового применения.

Флэш-память, использующая многобитовые ячейки «TLC» с восемью уровнями заряда, каждая из которых содержит по три бита, является самой дешевой формой памяти, применяемой для твердотельных накопителей «SSD». Возможности устройств с памятью «TLC» позволяют их применять только для простого потребительского использования и не способны соответствовать стандартам промышленного и корпоративного секторов. Достоверные жизненные циклы чтения/записи информационных ресурсов значительно меньше остальных, представленных выше, вариантов, и составляют всего лишь от 3000 до 5000 циклов на ячейку.

Особую ценность для конечных потребителей представляет тот факт, что производство «NAND» памяти на базе трехуровневых ячеек «TLC» является наименее затратным, что, в свою очередь, приводит к основательному удешевлению запоминающих устройств формата «SSD».

В тоже время, отрицательным фактором несомненно выделяется масштабно меньшее количество циклов перезаписи даже по сравнению с общеклассовым видом многоуровневых ячеек «MLC».

Запоминающие устройства с флэш-памятью «TLC» можно рекомендовать для обычного повседневного пользовательского применения на устройствах, таких как, планшеты или нетбуки.

Как и любые устройства, твердотельный накопитель «SSD» не может работать вечно и имеет конечный срок службы. Как отмечалось выше, жизненный цикл твердотельного накопителя можно напрямую соотнести с ресурсом записи флэш-памяти «NAND», с которой он поставляется. Память, использующая для функционирования одноуровневые ячейки «SLC», например, будет иметь самый большой гарантированный срок эксплуатации, в разы превышающий, при одинаковых условиях применения, память с многоуровневыми ячейками «MLC» или «TLC», но стоимость ее будет слишком дорогой.

Для самой распространенной флэш-памяти «MLC» и «TLC», которая обычно встречается в потребительских твердотельных накопителях, исходя из заявленных циклов перезаписи, возникает вопрос, насколько долго их можно будет гарантированно использовать и какой объем данных они смогут выдержать?

Проведя небольшой сравнительный тестовый анализ некоторых доступных твердотельных накопителей потребительского уровня, большинство из которых были представлены флэш-памятью «NAND» с ячейками «MLC», были получены обнадеживающие многообещающие результаты. Каждое из тестируемых устройств обеспечило запись как минимум 700 терабайт («ТБ») информации, а некоторые из образцов смогли перешагнуть рубеж в один петабайт («ПБ»).

Такой объем данных достаточно велик, и для примера, можно рассмотреть, что собой представляет массив возможной информации в размере одного петабайта на твердотельном накопителе «SSD».

1 петабайт («ПБ») = 1000 терабайт («ТБ») / 1 000 000 гигабайт («ГБ») / 1 000 000 000 («МБ»)

Исходя из соотношения, можно вычислить, что один «ПБ» может вместить:

  • 222 222 фильма «DVD» размером по «4,5 ГБ»;
  • 333,333,333 песни формата «mp3» в усредненном диапазоне величины «3 MB» на песню;
  • 500 000 000 фотографий расширения «JPG» по «2 МБ» на изображение;
  • 15 384 установок игры «Grand Theft Auto V» при затрате «65 ГБ» на установку.

Проанализировав полученные ответы можно смело отбросить сомнения, что хранилище данных «SSD» выйдет из строя за короткий промежуток времени.

Поэтому если пользователи рассматривают запоминающее устройство «SSD» с активными ячейками памяти «MLC» или «TLC» для повседневного применения, например, хранения: музыкальных композиций, фотографий и различных изображений, программного обеспечения, личные документов, или планируют активно использовать для игр и развлечений, то в таком случае они могут быть абсолютно уверенны, что средний гарантийный срок службы накопителя «SSD» составит не менее пяти лет. Такой вид эксплуатации считается легким при сравнении с постоянным интенсивным использованием памяти для чтения/записи корпоративных серверов и компьютеров.

Примечание. Для пользователей, которые беспокоятся о сроке службы своих твердотельных накопителей, применение технологии самоконтроля, анализа и отчетности «S.M.A.R.T.», поможет лучше отслеживать жизненный цикл «SSD» устройств и своевременно обнаруживать возможные неисправности диска.

Корпоративные и потребительские твердотельные накопители

Функциональные различия и повышенные требования, предъявляемые корпоративным твердотельным накопителям, выделяют их в отдельную обособленную категорию, серьезно отличающуюся от класса потребительских твердотельных устройств «SSD». Корпоративные твердотельные запоминающие устройства разработаны с учетом более высоких стандартов, задействованы и стабильно работают в высокотехнологичных службах, военной сфере, науке и других областях, требующих большого объема чтения и записи данных.

Серверы баз данных являются примером того, где находят полноценное применение образцы корпоративных твердотельных накопителей. Они работают круглосуточно и испытывают потребность в значительных показателях эксплуатационных циклов чтения/записи, более высоких скоростях перезаписи информации, повышенной надежности и долговечности при функционировании в жестких условиях.

Варианты потребительских твердотельных накопителей менее дорогостоящи и представляют собой урезанные версии корпоративных твердотельных запоминающих устройств. Конечно может показаться, что определенных характеристик накопителей недостаточно, но преимущества более дешевого продукта с большей емкостью хранилища того стоят. Кроме того, производители постоянно повышают производительность, надежность и количество гарантированных циклов перезаписи «SSD», одновременно снижая цену, тем самым повышая общую эффективность потребительских устройств.

Сравнительное описание твердотельного накопителя «Sandisk Ultra 3D»

Многие пользователи несомненно задумывались над улучшением и обновлением собственного персонального компьютера, с целью увеличить скорость обработки данных и общую производительность операционной системы. Одним их вариантов является установка дополнительного диска, обладающего большой емкостью и высокой продуктивностью, и «Sandisk Ultra 3D» – один из лучших твердотельных накопителей, полностью соответствующий заявленным требованиям. Несмотря на то, что в «SSD» устройстве используется флэш-память «NAND», содержащая трехуровневые ячейки «TLC», накопитель подкупает своей емкостью и отсутствием потерь производительности, характерными для данного класса ячеек, и соизмерим по своим характеристикам с многоуровневыми ячейками «MLC».

«Sandisk Ultra 3D» выпускается в стандартном форм-факторе «SATA 6 Гбит/с», обладает универсальными размерами, установленными для данной категории, и может быть задействован для модернизации ряда ноутбуков среднего величины и стационарных персональных компьютеров.

Твердотельный накопитель доступен в различных емкостях, начиная с «250 ГБ» и заканчивая «2 ТБ» по демократичной цене. Модель объемом «250 ГБ» рассчитана на массив записи в «100 ТБ» в течение всего гарантийного срока службы накопителя, и сохраняет данное соотношение для остальных моделей устройств. А для исключения развития сбойных ячеек, ошибок кодов коррекции и операций чтения реализована трехлетняя гарантия.

Высокая производительность твердотельного накопителя «Sandisk Ultra 3D» отличается тем, что устройство не страдает от потери производительности при чтении/записи, которая происходит на других дисках с памятью «TLC» по аналогичной цене при заполнении области временного хранения информации. Избежать западения производительности удается за счет реализации многоуровневой техники кэширования, которая по своим показателям максимально приблизилась к значениям производительности многоуровневых ячеек «MLC» флэш-памяти «NAND» и соответствует ее усредненным показателям.

Массовое создание разнообразных видов информационных материалов в электронно-цифровом виде, развитие и распространение международной сети «Интернет» вынуждает постоянно улучшать и совершенствовать виды современных компьютерных устройств. Развитие технологии полупроводниковых материалов положило начало обширному применению высокоскоростных твердотельных накопителей «SSD», главный элемент которого, отвечающий за хранение данных, создан на ее основе.

Однако многообразие представленных вариантов запоминающих устройств, выполненных с разнообразными конфигурациями памяти, требует понимания принципиальных различий. Исходя из представленных разъяснений разницы между основными понятиями «SLC», «MLC» и «TLC» флэш-памяти «NAND», пользователям не составит особого труда определиться с необходимым типом запоминающего устройства «SSD» в соответствии с собственными потребностями, с учетом всех преимуществ и отдельных недостатков каждого вида памяти.

Для корпоративных нужд и больших рабочих нагрузок оптимальным будет выбор твердотельных накопителей «SSD» на базе одноуровневой ячейки памяти «SLC», содержащей один бит на ячейку, предлагающих максимальные значения, среди всех возможных вариантов, по скорости чтения/записи и операциям циклов перезаписи, показателям выносливости и надежности, но имеющих непомерно высокие значения конечной стоимости. Также возможен вариант применения запоминающих устройств «SSD» с памятью формата «eMLC», способными успешно справляться с повышенными корпоративными, производственными и серверными требованиями, но обладающими более скромными показателями скорости и количества циклов чтения/записи, однако взамен предлагающими более лояльные стоимостные характеристики.

Для ежедневного потребительского использования, включающего игры и развлечения, оправданным будет использование твердотельных накопителей «SSD» с многоуровневой памятью «MLC», обеспечивающей достаточно высокие значения циклов чтения/записи и скорости обработки информации при существенно низкой стоимости готовых изделий, а также уверенный уровень надежности и помехоустойчивости.

При относительно небольших потребительских нагрузках рациональным будет выбор устройств «SSD», использующих память с трехуровневыми ячейками «TLC», владеющими максимальными показателями емкости и дешевизны устройств в ущерб общей производительности и эффективности операций чтения/записи, в сравнении с более продвинутыми предыдущими версиями флэш-памяти.

И как вариант, способный объединить качество скорости обработки информации и количество циклов перезаписи уровня ячеек «MLC» с емкостными характеристиками, доступными в ячейках памяти «TLC», необходимо рассмотреть возможность использования твердотельного накопителя с памятью формата «3D NAND», образец которого представлен в предыдущем разделе.

Если появились вопросы или желание поделиться собственным опытом использования различных вариантов твердотельных накопителей «SSD» с разнообразными форматами построения ячеек, то пишите нам в комментариях для общения и советов.

hetmanrecovery.com

MLC или TLC тип памяти лучше в SSD накопителях: в чем отличия, есть ли разница

Твердотельные жесткие диски с каждым годом становятся все дешевле, а вместе с тем и все популярнее. На рынке появляется больше моделей подобных накопителей, и это связано не только с предложением своего ассортимента новыми производителями, но и с использованием новых технологий «старыми игроками». Компании в данный момент выпускают на рынок SSD-диски с двумя основными типами памяти: MLC и TLC. В рамках данной статьи рассмотрим, чем они отличаются друг от друга, и какой вариант лучше купить для домашнего использования.

Обратите внимание: Также можно встретить в продаже твердотельные жесткие диски, память в которых обозначена V-NAND или 3D NAND. Данная память все равно относится к типу MLC или TLC, о подобных обозначениях также расскажем ниже.

Оглавление: 1. Типы памяти SSD дисков 2. TLC или MLC: что лучше 3. Что такое 3D NAND, 3D TLC и V-NAND в SSD-памяти Рекомендуем прочитать: Как выбрать SSD диск: основные характеристики

Типы памяти SSD дисков

В твердотельных накопителях используется флэш-память, которая собой представляет организованные ячейки памяти на базе полупроводников, сгруппированные особым образом. Можно разделить всю используемую флэш-память в SSD накопителях следующим образом:

  • По методу чтения и записи. Современные твердотельные накопители используют тип памяти NAND;
  • По способу хранения данных. Разделить по способу хранения данных SSD накопители можно на SLC и MLC. Расшифровать аббревиатуры можно как «одноуровневая ячейка» или «многоуровневая ячейка». В случае с памятью SLC в одной ячейке может содержаться не более одного бита данных, тогда как во второй ситуации в одной ячейке может храниться более одного бита. В потребительских твердотельных накопителях используется MLC технология хранения данных.

TLC – это подвид MLC памяти. Если в стандартной MLC памяти хранится 2 бита информации в одной ячейке, то в варианте TLC может хранить три бита информации в одной ячейке памяти. То есть, TLC – это тоже многоуровневая ячейка.

Обратите внимание: Некоторые производители твердотельных дисков указывают не TLC, а 3-bit MLC или MLC-3. По сути, все эти три варианта означают одно и то же.

TLC или MLC: что лучше

Если не рассматривать детали, то можно сказать, что в общем случае тип памяти MLC лучше, чем TLC, вот несколько его преимуществ:

  • Память подобного типа прослужит дольше, в среднем, на 20-30%;
  • MLC работает быстрее, чем TLC;
  • Твердотельные накопители на базе памяти MLC требуют меньше энергии для работы.

За лучшее качество нужно платить, и наличие памяти типа MLC сказывается на стоимости твердотельных жестких дисков – они дороже, чем варианты на TLC.

Но если вдаваться в детали и рассматривать использование SSD-дисков с данными типами памяти на пользовательском уровне, стоит сказать, что отличия между ними не столь велики, и далеко не всегда есть смысл переплачивать за MLC память. Многое в их работе зависит от других факторов, например от интерфейса подключения. Рассмотрим пару вариантов наглядно:

  • Скорость работы. Если SSD-накопители на TLC и MLC подключаются по протоколу SATA-3, они, скорее всего, будут показывать равную скорость работы, особенно если речь идет об относительно бюджетной твердотельной памяти. Также стоит заметить, что если TLC накопитель подключать к системному блоку через интерфейс PCI-E NVMe, он может работать быстрее, нежели SSD-диск с типом памяти MLC через PCI-E;
  • Потребление энергии. При подключении памяти типа TLC и MLC через протокол SATA-3, они будут тратить примерно одинаковое количество энергии. Но, если подключить память TLC через SATA-3, а память MLC через PCI-E, то вариант на SATA-3 будет тратить в разы (до десятка раз) меньше энергии. Но и здесь важно отметить, что разниться результат затраты электроэнергии может в зависимости от многих других факторов, например, от того, насколько оптимизирован SSD-диск был самим производителем под низкое потребление энергии.

Подводя итог, можно сделать вывод, что однозначно MLC или TLC вариант не выигрывает. Факторов, которые влияют на скорость работы твердотельного накопителя, огромное множество. Если приобрести емкий SSD-диск на основе TLC памяти, он может оказаться лучше от одного производителя, чем модель на MLC от другого производителя, при этом по стоимости они будут одинаковыми. На потребительском уровне покупателю следует ориентировать не на тип памяти, а на показатели того или иного диска в тестах, которые производители всегда публикуют. Разниться показатели в тестах могут даже у моделей одной компании, выпускаемой в разных линейках, несмотря на одинаковый тип памяти в них.

Что такое 3D NAND, 3D TLC и V-NAND в SSD-памяти

Еще один параметр, который может заметить покупатель при выборе твердотельного жесткого диска – это 3D NAND, 3D TLC или V-NAND. В зависимости от производителя данное свойство носит различные названия, но суть одна. При наличии подобного обозначения следует знать, что в данной модели накопителя ячейки флэш-памяти расположены на чипах в несколько слоев, тогда как при отсутствии такого обозначения, скорее всего, они наложены в один слой.

Производство памяти в несколько слоев дешевле, чем в один слой, и по заверениям производителей более надежно.

(355 голос., средний: 4,52 из 5) Загрузка...

okeygeek.ru

Как не заблудиться в 2D NAND и 3D NAND при выборе SSD

Прочитав первую статью осенней серии о выносливости SSD, читатель Px написал мне: у TLC нет перспектив, потому что текущее направление развития – 3D NAND. Сегодня, изучая рынок флэш-памяти и новейшие диски ее ведущих изготовителей, мы разберемся, почему такая формулировка не имеет смысла.

Почти два года назад мы выясняли, как не заблудиться в SLC, MLC и TLC. Сейчас, когда на рынке появилась 3D NAND, ситуация стала еще более запутанной для непосвященного человека.

32-слойная флэш-память Samsung MLC V-NAND

Именно поэтому в прошлый раз мне было необходимо изложить основы, без которых дальше мало что понятно. Напоминаю, это вторая статья серии из четырех публикаций.

Сейчас вы готовы ко второму этапу квеста, который начинается на рынке NAND.

[+] Сегодня в большой программе

Краткий обзор рынка флэш-памяти

Готовя эту статью, я изучил много рыночной и финансовой аналитики по индустрии полупроводников из открытых и закрытых источников (в т.ч. на корейском языке :) И если с финансовыми показателями компаний все однозначно, то объемы и прогнозы поставок SSD и NAND сильно варьируются в зависимости от источника. Впрочем, тенденции везде одинаковые, поэтому обращайте внимание на них, а не на абсолютные цифры.

Спрос на SSD и NAND

Хотя продажи SSD все еще выглядят бледно на фоне HDD, твердотельные диски продолжают поступательное движение, что способствует росту производства флэш-памяти.

Прогноз мировых поставок HDD и SSD в ПК (млн штук). Источник: IHS, 2013 год.

Здесь должны быть учтены как потребительские, так и корпоративные диски. Например, объем поставок первых у Micron больше в 2-3 раза (точный расклад компания не раскрывает из коммерческих соображений). Однако эта картина отражает лишь ситуацию на рынке ПК.

Между тем, мобильные технологии пожирают не только мир, но и NAND.

В миллионах планшетов и смартфонов используется eMMC, и это тоже флэш-память. К экранам и фотокамерам новых смартфонов традиционно приковано больше внимания, но ведь объемы дискового пространства в них тоже растут!

Спрос на флэш-память по типу устройств в календарные годы. Данные IDC, iSupply, HI Investment & Securities, ноябрь 2014 года.

На диаграмме выше «Handset Embedded» — это встроенная в смартфон память. Несмотря на ее небольшой объем в сравнении с твердотельными накопителями для ПК, смартфоны берут количеством. Да и небольшой ли он?

Пока вы переносите временные папки на HDD, в старших моделях iPhone 6 и 6 Plus установлено по 128GB NAND от SanDisk и SK Hynix (16nm MLC) соответственно.

Неудивительно, что Apple отъедает 1/6 часть пирога флэш-памяти!

Доля рынка Apple в потреблении флэш-памяти и закупаемый ей объем в млн GB. Данные DRAMeXchange, 2014 год,

Я настойчиво подталкиваю вас к мысли, что технологический прогресс NAND нужно рассматривать в контексте спроса, который в первую очередь диктует мобильный сектор.

Крупнейшие игроки на рынке флэш-памяти

При покупке SSD многие люди ориентируются на брэнд, что в полной мере стараются использовать ОЕМ-сборщики SSD вроде Kingston, Corsair, ADATA и прочих компаний, не имеющих своего производства. С другой стороны, крупнейшие изготовители флэш-памяти могут быть не слишком заинтересованы в продаже дисков конечным пользователям (SK Hynix) или не иметь прочных позиций на рынке потребительских SSD (Toshiba).

Как вы думаете, кто производит больше флэш-памяти – Toshiba или Intel?

Ответ на этот вопрос дают сведения ресурса DRAMeXchange, которые я преобразовал в диаграмму. Годовая выручка рынка NAND около 30 млрд долларов (для справки: столько же продает Nike :)

Оказывается, выручка Toshiba сопоставима со всем концерном IMFT. Зато бизнес Intel в меньшей степени зависит от флэш-памяти за счет диверсификации, а наработки компании в процессорах способствуют инновациям в NAND. Между тем, почти треть рынка занимает Samsung.

Какую флэш-память выпускают сейчас

За два года техпроцесс шагнул с 25-24nm до 19-16nm. Согласно диаграмме ниже, сейчас 90% поставленной NAND выполнено по техпроцессам 20nm и 1xnm, в чем вы сами можете отчасти убедиться на примерах дисков из этой статьи.

Производство NAND по узлам техпроцесса с прогнозом на 2014 год. Источник: DRAMeXchange, январь 2014 года.

Обратите внимание на ярко-красные вкрапления 3D NAND, ближайшего будущего индустрии флэш-памяти. Рассказ о новой технологии будет ближе к концу статьи, но отныне придется обозначать термином «2D NAND» память предыдущего поколения, чтобы не запутаться.

Давайте посмотрим, что нам предлагают в конце 2014 года компании первого уровня под своими брэндами.

MLC 2D NAND

Диски с этой памятью сейчас установлены в ПК автора блога и большинства читателей.

Samsung

В официальном магазине лидера рынка уже нет накопителей на MLC 2D NAND — на то он и лидер! Последним героем стал 840 Pro с 21nm Toggle Mode MLC — это был лучший SSD 2012 года, и его еще можно купить у других продавцов.

Запас выносливости у диска очень большой. Например, модель 256GB в тестировании шести дисков на убой выдержала 2.4PB (!)

Показатель выравнивания износа был исчерпан на 500TB, после чего диск принял еще почти 2000TB, продолжая использовать резервные блоки памяти

Кстати, именно этот SSD трудится у меня уже больше года в качестве основного, а старому Kingston HyperX 3K (25nm MLC NAND) теперь отведена роль диска под эксперименты и виртуальные машины. По совпадению два HyperX засветились в том же тесте, и один составляет пару выживших с 840 Pro, хотя две неустранимые ошибки выявились еще на подходе… к петабайту!

К Samsung мы еще вернемся, конечно.

Intel и Micron

Несмотря на совместное производство (IMFT), партнеры отличаются по графику вывода новых моделей на рынок. Потребительская линейка Intel, несколько лет строившаяся целиком на контроллерах SandForce, сейчас состоит из моделей 730 и 530 с памятью, изготовленной по техпроцессу 20nm. Ключевая разница между этими SSD заключается в контроллере: Intel 530 работает на старом добром SF-2281, а 730 – уже на собственном чипе Intel.

Последний раз Intel выпускала модель со своим контроллером в далеком (по меркам индустрии SSD) 2011 году, но даже тогда диск Intel 320 был фактически построен на контроллере X25-M G2 еще 2009 года.

По сути, компания перенесла на потребительский рынок архитектуру корпоративных дисков DC S3500/S3700, включая защиту от потери питания. Диск для бизнеса отличает высокая стабильность производительности, что достигается в немалой степени за счет большей резервной области. Зато в модели Intel 730 контроллер и интерфейс NAND работают на более высокой частоте, что повышает быстродействие во время пиковых нагрузок.

Intel 730 — логотип игровой платформы Skulltrail подтверждает серьезность намерений фирмы завоевать сердца энтузиастов

У Crucial (торговая марка потребительских SSD компании Micron) еще недавно модельный ряд состоял из единственного накопителя. Сначала компания долго сидела на модели m4 с контроллером Marvell не первой свежести, лишь весной 2013 года заменив ее на М500 с Marvell 88SS9187 и 20nm MLC NAND на борту. Спустя год Crucial выпустила более производительный диск M550 тоже с памятью 20nm MLC, но с обновленным чипом Marvell 88SS9189.

Летом 2014 года на смену Crucial M500 пришел диск MX100, ставший первым накопителем с памятью, выполненной по техпроцессу 16nm с плотностью кристалла 128Gbit.

Это ключевое изменение, потому что в остальном накопитель построен на архитектуре М550 и работает на таком же контроллере. Интересно, что в модели 128GB используется 20nm NAND, и только старшие модели несут на борту новую память 16nm.

Crucial MX100 — новый и недорогой диск с гарантированным объемом записи 72TB от компании первого уровня

На бумаге этот SSD хорошо подходит обычным потребителям (т.е. не гикам) по соотношению цена/качество, и он уже работает в одном моем подопечном ноутбуке (в комментариях спрашивали про зависания MX100, и на них действительно есть жалобы в официальном форуме). Позже для изготовителей ПК вышел похожий Micron M600, но уже с режимом динамической записи.

Кстати, Micron наконец-то определилась с маркировкой новых моделей. Отныне потребительские диски Crucial с высокой производительностью представлены в линейке “MX”, бюджетные — в «BX», а “M” – накопители под брэндом Micron для изготовителей ПК (на старые модели это не распространяется, конечно).

Toshiba и SanDisk

Эти две компании исторически были не слишком активны в изготовлении «коробочных» SSD. Однако их накопители давно пользуются спросом у изготовителей ПК (вплоть до Apple), а память устанавливают в свои твердотельные диски многие ОЕМ-сборщики.

Впрочем, в последние годы партнеры активизировались на потребительском рынке под своими брэндами. Так, Toshiba выпустила диски с загадочным названием Q Series Pro на 19nm MLC NAND 1го поколения (они также продавались под более звучным именем Strontium Hawk стороннего изготовителя).

SanDisk развивает линейки Ultra и Extreme, обозначая модели маркетинговыми приставками вроде Plus и Pro. Например, флагман SanDisk Extreme Pro несет на борту 19nm MLC NAND 2го поколения с плотностью кристалла 64Gbit.

SanDisk Extreme Pro – один из самых быстрых дисков 2013 – 2014 годов

TLC 2D NAND

TLC (Triple Level Cell) – это еще один способ снижения расходов для изготовителей NAND. На конец 2014 года дисков с TLC пока намного меньше, чем с MLC, a точнее – всего два.

Samsung

Вплоть до недавнего времени Samsung являлась единственным изготовителем SSD на TLC NAND. Именно с такой памятью 840 и затем 840 EVO были ориентированы в нижний ценовой сегмент для обычных пользователей, в то время как флагманом служил 840 PRO. Модели 840 EVO с 19nm TLC NAND и плотностью кристалла 128Gbit пошел уже второй год, но она до сих пор в строю.

Samsung 840 EVO — первый SSD, который может работать в связке с «родным» RAM-диском

Для продления срока жизни в накопителе увеличена резервная область, а также работает TurboWrite. Кроме того, выносливость может отчасти повысить технология RAPID, представляющая собой RAM-диск. Если TurboWrite реализована исключительно в контроллере и прошивке, то связь RAPID с операционной системой обеспечивает также фирменная утилита Samsung Magician.

Технология нацелена на повышение быстродействия, но буферизация в оперативной памяти в небольшой степени способствует и снижению объема данных, записываемых на диск. RAPID можно задействовать во всех современных дисках Samsung.

SanDisk

Почти двухлетнюю гегемонию Samsung в накопителях TLC NAND летом 2014 года прервала SanDisk, выпустив модель Ultra II с 19nm TLC NAND второго поколения.

SanDisk Ultra II – пока всего лишь второй диск в мире с TLC NAND

SanDisk использует для продления срока службы TLC NAND свою технологию nCache 2.0. Рассказывая о ней в прошлый раз, я не упомянул пару моментов.

Во-первых, nCache 2.0 пришла в Ultra II из корпоративного диска X300 на 19nm MLC NAND, анонсированного на полгода раньше. Другими словами, при столь малом размере кристалла выносливость даже MLC весьма актуальна, пусть и при нагрузках в организации (резервная область в X300 тоже большая, отсюда и высокая стоимость). Вообще, для изготовителей SSD свойственно со временем переносить технологии из корпоративного сектора в потребительский.

Во-вторых, проприетарный механизм трансфера данных из SLC в TLC прямо на кристалле называется On Chip Copy (этот способ быстрее, чем перенос посредством интерфейса NAND и DRAM). Вы уже видели похожую картинку в предыдущей статье, но на этой хорошо видно, как SanDisk «сворачивает» три ячейки SLC (по одному биту в каждой) в одну ячейку TLC.

Увеличить рисунокSanDisk On Chip Copy – эффективное сворачивание с минимальным вмешательством контроллера

Достаточно ли вынослива TLC

Опираясь на показатели SMART, можно оценить выносливость накопителя (мы будем подробнее рассматривать SMART в следующий раз, чтобы снять все основные вопросы). Главная тонкость в том, что измерять нужно запись в NAND, т.к. подсчет записи в файловую систему (Total Host Writes или Total LBAs Written) не годится ввиду неизвестного мультипликатора WA.

В SMART некоторых SSD (например, Intel и Kingston) для этого есть специальный атрибут Total NAND Writes. В других накопителях приходится искать обходные пути. Например, у Samsung есть показатель выравнивания износа (Wear Leveling Count), постепенно уменьшающийся от 100 до 0. Поэтому можно последовательно записывать несжимаемые данные и следить за изменениями показателя. Зная среднюю скорость записи и ее длительность, можно оценить количество циклов перезаписи и общую выносливость накопителя.

Сайт AnandTech после своих тестов дал свою оценку 840 EVO при 50GiB записи в день, что отражено в таблице.

Емкость 840 EVO 120GB 250GB 500GB
Емкость NAND 128GiB 250GiB 512GiB
Объем записи 144.5TiB 289TiB 578TiB
Срок службы (лет) 7.9 15.8 31.7

С одной стороны, эти цифры опираются на фактор WA = 1 (только последовательная запись), а в домашних нагрузках он может быть 1.5 – 2 за счет случайных операций. Однако дневной объем записи взят с солидным резервом. Он в 2.5 раза больше минимального объема 20GB, который сейчас гарантируют все изготовители (дальнейшее обсуждение этого вопроса будет в следующей статье).

Между тем, достижение порогового значения износа в SMART вовсе не означает смерти накопителя (если только это не заложено в прошивку). Как вы видели выше, экспериментаторы идут дальше, записывая данные на диск вплоть до исчерпания ресурса NAND. На момент публикации статьи японский сайт вел прямую трансляцию казни 840 EVO, на который в итоге записали в 6 раз больше данных, чем гарантировал изготовитель.

Непрерывная запись на 840 EVO —  диск выдержал 750TB (владеющие японским подскажут точную причину смерти :)

Кстати, на том же сайте есть текущие и финальные результаты убийства других SSD, рекомендую ознакомиться.

Домашним пользователям выносливости TLC должно хватить за глаза, и мы это с вами будем проверять в следующий раз.

Однако репутация долговечности TLC NAND в глазах потенциальных покупателей подпорчена различными «страшилками», поэтому в ход идут маркетинговые уловки. В прошлый раз я заметил, что Samsung использовала на своей диаграмме термин 3-bit MLC вместо TLC. Компания вообще избегает термина TLC применительно к своей NAND.

Обкатав новую память на потребителях, фирма выпустила летом 2014 года 845DC EVO в корпоративный сегмент, где циклы перезаписи не столь критичны, т.к. чтение превалирует над записью.

Цитата из спецификаций Samsung 845DC EVO

Покровы срывает упоминание 3-bit — у MLC в ячейке памяти хранится 2 бита, а у TLC – 3.

Будущее TLC 2D NAND

На конец 2014 года память TLC, сопоставимую по качеству с MLC, выпускают два ведущих изготовителя флэш-памяти из четырех, если считать альянсами.

  • Samsung, задающая тон индустрии, уже выпустила два поколения дисков (840 и 840 EVO), и третьего не будет (об этом ниже)
  • SanDisk обладает накопителем на 19nm TLC и наращивает производство по новому техпроцессу 15nm
  • SK Hynix уже получила инженерные образцы 16nm TLC и готовится выйти с ней на рынок в первой половине 2015 года
  • Micron получает образцы 16nm TLC и обещает диск с этой памятью летом 2015 года (вероятно, у Intel аналогичные планы)

Огромная часть этой памяти пойдет в смартфоны и планшеты. Что же касается ПК, то помимо диска от Micron возможно появление в ближайшем будущем ОЕМ-накопителей со звучными брэндами на TLC NAND от Toshiba/SanDisk.

3D NAND

Инновации Samsung не ограничиваются лидерством в области TLC 2D NAND. Компания уже производит флэш-память нового поколения с общепринятым названием 3D NAND (маркетинговый брэнд Samsung – 3D V-NAND).  Эта технология призвана снизить стоимость производства флэш-памяти в условиях, когда дальше уменьшать кристалл по осям X и Y уже некуда, что фактически произошло с 2D NAND.

В чем суть 3D NAND

3D NAND обладает третьим измерением по оси Z, поскольку ячейки памяти размещаются вертикально (приставка «V» у Samsung как раз от Vertical). Но это не значит, что кристаллы складывают в стопку. У 3D NAND наложение производится на уровне вафли, поэтому каждый кристалл содержит несколько слоев ячеек — отсюда и понятие 3D.

У Samsung первое поколение памяти V-NAND состояло из 24 слоев, но к лету 2014 года их число довели до 32

Появление вертикальной оси сняло зависимость от осей X и Y. Поскольку теперь нет нужды в столь малом размере кристалла, Samsung вернулась к техпроцессу 30 или 40nm (цифры разнятся в зависимости от источника).

Так или иначе, теперь больше не только размер ячеек, но и расстояние между ними. Это важно потому, что при сжатии кристалла уже до 20nm остро встает проблема с перетеканием заряда из одной ячейки в другую, что выливается в ошибки, с которыми ведут изнурительную борьбу при помощи EEC. С другой стороны, по мере приближения техпроцесса 2D NAND к 10nm стоимость оборудования для литографии нивелирует экономию от сжатия кристалла.

Samsung 850 Pro

В середине лета компания выпустила модель 850 PRO, в котором установлена 32-слойная 3D V-NAND с плотностью кристалла 86Gbit. Высокую производительность диск сочетает с фантастической выносливостью.

Samsung 850 Pro — первый диск с 3D NAND

Компания гарантирует 10 лет работы диска или 150TB записанных данных. По гарантийному сроку с этим может сравниться лишь SanDisk Extreme Pro, но отвечать за такие объемы записи пока не готов ни один конкурент. Более того, представитель Samsung сообщил сайту AnandTech, что фирма не планирует отказывать в гарантии при записи свыше 150TB в клиентских ПК.

Сотрудник Samsung также утверждал, что во внутреннем тестировании компании находится 850 PRO 128GB, на который записано уже 8000TiB.

Так много человеку за всю жизнь не записать, если только не задаваться специально этой целью. Однако именно так решил сделать rugger, участник форума whirlpool, ранее проводивший подобные эксперименты с другими дисками. На протяжении 44 дней он непрерывно записывал данные на 850 Pro 128GB и остановился на отметке 1PiB (1000TiB).

850 Pro принял на грудь петабайт данных (F1), даже не воспользовавшись резервными блоками (B3)

По данным SMART, нормализованный показатель выравнивания износа (Wear Leveling Count, B1) опустился до минимальной отметки еще на 740TiB, но диск продолжал исправно работать. Впоследствии он умер в момент проведения над ним других тестов.

3D V-NAND – это единственное фундаментальное изменение в 850 PRO по сравнению с предыдущими моделями Samsung. Его сердцем служит трехъядерный контроллер MEX, прошедший обкатку на 840 EVO, а интерфейс – все тот же SATA III. Все скоростные показатели у 850 PRO на высочайшем уровне, и даже со стандартной резервной областью 7% накопитель демонстрирует впечатляющую стабильность производительности.

Samsung 850 EVO

На момент публикации статьи у Samsung такого диска не было, поэтому раньше тут были предположения. Диск вышел, как и ожидалось. Еще летом 2014 года на Flash Memory Summit компания объявила о планах выпуска 32-слойной 3D TLC V-NAND, которую начала массово производить уже в октябре.

Прототип 850 EVO, показанный на выставке IFA 2014 в Берлине в сентябре 2014 года

850 EVO явно напрашивался в пару к 850 Pro по аналогии с предыдущей серией 840. Верхний ценовой сегмент представляет MLC NAND, а нижний – TLC NAND. Разница лишь в том, что в дисках нового поколения используется 3D V-NAND.

3D NAND снимает основные проблемы TLC – быстрый износ и низкую производительность по сравнению с MLC. Диск 850 EVO должен получиться очень интересным по соотношению цена/качество. И я не удивлюсь, если Samsung даст на него 5 лет гарантии. Время покажет!

Будущее 3D NAND

С точки зрения вывода в свет новых технологий, Samsung сейчас несомненный лидер индустрии флэш-памяти. Компания обладает полным циклом производства твердотельных накопителей и не связана по рукам и ногам альянсами, что дает свободу действий на рынке. В целом по рынку расклад на конец 2014 года такой.

  • Samsung уже выпускает MLC 3D NAND с плотностью кристалла 86Gbit (используется в диске 850 Pro) и TLC 3D NAND с плотностью кристалла 128Gbit.
  • Micron рассказала на конференц-звонке с аналитиками в сентябре, что получила образцы 3D NAND с наивысшей по индустрии плотностью кристалла 256Gbit. Массовое производство запланировано на вторую половину 2015 года.
  • Intel сообщила на встрече с инвесторами в ноябре, что собирается выпускать такую же память в те же сроки, что и Micron.
  • SK Hynix поведала в октябре, что отправила образцы первого поколения 3D NAND клиентам и приступает к разработке второго и третьего поколений памяти.
  • Toshiba и SanDisk планируют запустить производство не ранее 2016 года ввиду отсутствия подходящих мощностей. Для выпуска 3D NAND они только осенью 2014 года начали строить на месте старой фабрики новую стоимостью 4.9 млрд долларов.

Так или иначе, экспансия 3D NAND неизбежна. Прогноз ниже, на мой взгляд, излишне оптимистичен, но он был сделан еще год назад.

Прогноз поставок 3D NAND в процентах от всего объема NAND. Источник: IHS, октябрь 2013 года.

Вы уже видели следующую диаграмму в прошлый раз, но теперь я хочу поставить ее рядом с прогнозом по 3D NAND.

Глобальные поставки NAND по типам памяти. Источник: Samsung, 2013 год.

Принимая во внимание спрос мобильного рынка, доминирование TLC вполне объяснимо. Важно понимать, что эти две диаграммы не противоречат друг другу. Даже с переводом производства на 3D NAND память TLC останется дешевле MLC, а посему будет более востребованной на рынке. Другими словами, будущее за TLC 3D NAND.

Какой SSD купить сейчас

В этой статье я упоминал новые SSD, выпущенные только изготовителями флэш-памяти. Именно они контролируют рынок твердотельных дисков, a объемы выпуска NAND при смене техпроцесса или технологии поначалу всегда ограничены.

Поэтому компании первого уровня вполне могут конкурировать с ОЕМ-сборщиками по цене, как это делают SanDisk и Micron. Например, когда в сентябре 2014 года я присматривал диск объемом 250-256GB, новейшие Ultra II и MX100 с TLC NAND были на Amazon и NewEgg едва ли не самым дешевыми.

300nm вафля Micron NAND, изготовленная по техпроцессу 16nm, обладает емкостью почти в 6TB

С другой стороны, повышение надежности и выносливости 2D NAND становится все более сложной задачей, и лучше с ней справляются фирмы, обладающие своим производством памяти и как минимум прошивками для контроллеров.

Поэтому моя базовая рекомендация остается прежней – при прочих равных смотрите в сторону дисков от изготовителей флэш-памяти, обладающих своими контроллерами или хотя бы прошивками.

Соответственно я сформулировал рекомендации для трех основных категорий пользователей.

  • Энтузиасты (гики). Вы можете смело брать любой диск из старшей линейки предпочитаемого брэнда или из верхушки бенчмарков доверенной тестовой лаборатории. Производительность при серьезных нагрузках будет достойной, а выносливости и так хватает. При излишках RAM не стоит сбрасывать со счетов 850 EVO, для которого можно включить RAPID.
  • Обычные пользователи. Бояться TLC нет смысла, потому что «все мы там будем», да и 16nm MLC не слишком от нее отличается по выносливости. Можете покупать любой диск текущего или предыдущего года из младшей линейки изготовителей памяти.
  • Пользователи, панически боящиеся смерти SSD от износа флэш-памяти. От паранойи кардинально спасет только HDD. Твердотельное лекарство очень дорогое —  MLC 3D NAND в корпоративном диске :)

Если смотреть на сочетание скорости и выносливости, то компьютерная индустрия пока еще размышляет над массовым внедрением интерфейса PCIe. Тот же Samsung 850 Pro с ним был бы просто зверь. Я думаю, что через несколько лет, когда накопители с 3D NAND и PCIe станут обычным делом, все волнения о производительности и выносливости SSD отойдут в прошлое (кроме заскорузлых мифов). Но SSD все равно остаются очень молодой технологией, поэтому скучно не будет!

Резюме

Давайте подведем промежуточный итог на основе информации из этой статьи [опубликована в конце 2014 года]:

  • Спрос на флэш-память растет, но основным двигателем является мобильный сектор, а не индустрия ПК. Сейчас только Apple потребляет 1/6 объема всей выпущенной памяти.
  • Рынок NAND емкостью 30 млрд долларов поделен между шестью компаниями, а если считать альянсами – всего четырьмя. Samsung занимает почти треть рынка.
  • Лидер рынка флэш-памяти уже не выпускает диски для ПК на MLC 2D NAND, но у остальных крупных игроков есть достойные предложения.
  • Дисков с TLC 2D NAND пока всего два, хотя выносливости этой памяти более чем достаточно для потребителей.
  • 90% процентов NAND выпускается по техпроцессу 20nm и 1xnm, но уже начались поставки 3D NAND, выполненной по техпроцессу 40-30nm.
  • 3D NAND – это не новый тип флэш-памяти, а общее название нового принципа ее производства, основанного на вертикальном расположении ячеек памяти. У каждого изготовителя своя технология, равно как и маркетинговое имя для нее (у Samsung – 3D V-NAND).
  • Существуют MLC 3D NAND и TLC 3D NAND, отличающиеся количеством бит в ячейке. Samsung первой выпустила на рынок диски с 3D NAND — 850 Pro – MLC V-NAND и 850 EVO с TLC V-NAND. На конец 2016 года только Micron следует за лидером с MX300 (3D TLC NAND).

Список литературы (общий на всю серию)

Домашнее задание

В следующий раз мы будем разбирать, сколько данных пишется на SSD в наших ПК. Я попрошу предоставить сведения с ваших систем, и хотя в статье будут базовые инструкции, предварительная подготовка не помешает.

  • Фирменная утилита. Если таковая существует для вашего диска, найдите ее и научитесь просматривать данные SMART в ней.
  • Интерпретация атрибутов SMART. Найдите официальное описание атрибутов SMART для вашего накопителя на английском языке. Не для всех дисков есть такая документация, но она может быть в разделе поддержки вашего SSD на сайте компании или идти вместе с фирменной утилитой.
  • Crystal Disk Info. Научитесь копировать в этой программе информацию только об атрибутах SMART.

В комментариях к этой записи я прошу не задавать вопросов по ДЗ и не публиковать данные SMART, однако ссылки на интерпретацию атрибутов приветствуются!

Дискуссия и опрос

Уффф… по-моему, это самая большая моя статья в блоге :) Я мог бы разбить ее на несколько частей, увеличив тем самым посещаемость в краткосрочной перспективе. Но я не вижу смысла размениваться по мелочам, когда за материалом стоит большая и кропотливая работа, а единая статья получается намного более целостной и плавной. Однако дайте мне знать, если такое количество букв вам не под силу ;)

В обсуждении я бы хотел сфокусироваться на том, чем вы руководствуетесь при покупке SSD. Напишите в комментариях:

  • что влияет на ваш выбор при покупке SSD (брэнд, память, контроллер, цена и т.д.) и в какой степени
  • какой SSD вы купили в этом году (себе или родственникам) и почему предпочли именно его

Опрос традиционно призван выявить количественный расклад в аудитории блога. Вы можете выбрать не более трех пунктов.

Результаты голосования утеряны в связи с прекращением работы веб-сервиса опросов.

www.outsidethebox.ms

Новейшие технологии в SSD c 3D NAND-памятью | CHIP

SSD и NAND памятью доминируют над продажами классических HDD. Постепенно HDD будут вытеснены облачными сервисами и быстрыми SSD. Способствует этому постоянная гонка вооружений в сфере технологий 3D NAND. За пять лет SAMSUNG, Hynix, Micron, Toshiba и Intel добились впечатляющих результатов.

Первым шагом на пути к увеличению емкости твердотельных накопителей стала массовая реализация 3D NAND, начавшаяся несколько лет назад. Она подразумевает расположение ячеек не планарно, как это было принято долгое время, а еще и вертикально, послойно, чтобы чип получил трехмерную структуру. Представленная на конференции оптимизация 3D NAND может создать условия для того, чтобы сформированные из кремниевой пластины кристаллы, которые являются основой для изготовления микросхем флеш-памяти, постепенно вытесняли жесткие магнитные диски, в которых информация записывается на вращающиеся алюминиевые пластины.

Затишье в развитии HDD

На конференции, состоявшейся в начале августа, были представлены твердотельные накопители емкостью от 30 до 50 Тбайт, а Samsung даже анонсировала 128-терабайтный. А максимальная емкость жестких дисков составила всего 12 Тбайт. В настоящее время накопители до 14 Тбайт выпускаются в форм-факторе 3,5 дюйма. Техническое развитие накопителей на жестких магнитных дисках переживает застой. Новые технологии, анонсированные несколько лет назад, например, термоассистируемая магнитная запись (Heat-assisted magnetic recording), обещающая удвоить плотность записи, все еще не готовы выйти на рынок.

Принцип технологии HAMR состоит в локальном нагревании лазером дорожки на металлической пластине, благодаря чему создается возможность перемагничивать более короткие ­отрезки, чем это было возможно раньше. Но, как уже было сказано, это пока еще обещания. А динамическая отрасль производства флеш-памяти переживает период высокой скорости развития.

Один из результатов такой динамичности Samsung представила на конференции: твердотельный накопитель формата Next Generation Small Form Factor (NGSFF) емкостью 16 Тбайт в виде небольшой пластины длиной в десять сантимет­ров. Правда, рядовым пользователям о такой памяти придется только мечтать, поскольку она стоит небольшое состояние и рассчитана для использования в дата-центрах. По цене же на один гигабайт преимущество по-прежнему за жесткими дисками.

Сдвиги в сфере производства памяти

Тем не менее выступление на конференции специалистов в сфере технологий памяти вызвало вопрос: не истекает ли время магнитных дисков? В этом духе, например, выразился Керри Манс, отвечающий за разработку твердотельных накопителей в Micron.

«Благодаря нашей новой памяти накопители на дисках перестанут быть нужны»

Вице-президент Micron Technology, руководитель отдела разработок, Керри Манс

Показательно также, что два крупных производителя накопителей на жестких магнитных дисках — Western Digital и Seagate — уже несколько лет пытаются укрепиться на рынке твердотельных носителей.

Динамика продаж классических жестких дисков и SSD

Недавно некий инвестиционный консорциум при участии Seagate и Hynix выкупил у Toshiba подразделение по производству чипов флеш-памяти, причем в ущерб Western Digital. Последняя до этого сотрудничала с Toshiba в разработке новой технологии флеш-памяти.

На конференции компания Seagate представила статистические данные, согласно которым в будущем доля вложений дата-центров в жесткие диски составит всего пять процентов. По прогнозам аналитиков Garnter, для насыщенного рынка ПК ежегодный темп роста в течение следующих пяти лет для твердотельных накопителей составит двадцать процентов. В таком же соотношении жесткие диски будут сдавать свои позиции на рынке. Этот процесс ускорится, если сбудется еще один прогноз, согласно которому в течение следующих пяти-шести лет твердотельные накопители подешевеют на 75% в расчете на один гигабайт.

Флеш-память в третьем измерении

В следующем году станет ясно, какие последствия будет иметь переход на трехмерную структуру флеш-памяти. В настоящее время падения цен на флеш-память по-прежнему не наблюдается. Это, с одной стороны, объясняется высоким спросом, а с другой — тем, что производители вынуждены финансировать все еще продолжающийся переход на производство 3D NAND. 2D NAND в настоящее время по-прежнему реализуется, но с технической точки зрения она достигла своих пределов.

Преодолеть технические лимиты флеш-памяти

В принципе, ячейки двухмерной флеш-памяти состоят из самых обычных транзисторов, из которых, например, собираются процессоры для ПК. Кроме того, у ячейки памяти есть плавающий затвор (floating gate), который обладает способностью удерживать электроны в течение длительного времени. Величина заряда на плавающем затворе определяет, какой бит хранит ячейка памяти. Простой пример: нет заряда — значение «1», полный заряд — значение «0». Но сохранение заряда может быть значительно более сложным процессом, поскольку существует более сложные типы ячеек, которые способны сохранять до четырех бит. Чтобы увеличить плотность записи, двухмерные ячейки флеш-памяти в 16 нм нужно еще больше уменьшить, а это процесс трудоемкий, тем более что вместе с этим значительно вырастут затраты на производство.

545s производства Intel — первый твердотельный накопитель, в котором реа­лизуется технология 3D NAND с 64 слоями ячеек: до сих пор было возможно только 48 слоев

Решение послойно располагать ячейки флеш-памяти положило конец дорогостоящим разработкам. Сейчас главным становится вопрос увеличения количества слоев в стеке. Чипы первого поколения 3D NAND, выпущенные Samsung в 2012 году, насчитывали 24 слоя ячеек. Первые твердотельные накопители, реализовавшие 3D NAND, получили 32 слоя, на современных же твердотельных накопителях их 48. В июле Intel представила первый SSD серии 545s, выполненный по технологии 3D NAND с 64 слоями ячеек. Лидер рынка Samsung не собирается отставать и во втором полугодии представит свой вариант 64-слойной трехмерной памяти.

6 Гбит на один квадратный миллиметр

Тип флеш-памятиПлотность записиПример накопителяВыход на рынок
Двухмерная структура (16 нм TLC)1,11 Гбит/мм2Samsung 750 Evoапрель 2016 г.
Трехмерная структура 32 слоя1,86 Гбит/мм2Samsung 850 Evoдекабрь 2014 г.
Трехмерная структура 48 слоев2,56 Гбит/мм2Samsung 850 Proмарт 2016 г.
Трехмерная структура 64 слоя3,97 Гбит/мм2Samsung 9xx Proянварь 2018 г.

Метод послойного расположения ячеек не стоит на месте. В следующем году 96 слоев станут нормой — Samsung и Toshiba, оба крупнейших производителя флеш-памяти, уже объявили о переходе на новую технологию. Плотность хранения данных значительно превысит 6 Гбит на один квадратный миллиметр. Тем не менее специалисты в области производства флеш-памяти предполагают, что дальнейшее развитие технологии размещения ячеек памяти в стеки в кремниевом кристалле будет идти трудно.

«Техническая сложность состоит в том, чтобы равномерно формировать отверстия на всю глубину слоев. Только таким образом можно обеспечить одинаковую производительность для всех ячеек памяти»

Руководитель отдела разработки Toshiba, Джефф Ошим.

А вот специалист Lam Research считает, что реально разместить более ста слоев в стек. Lam Research разрабатывает аппараты, с помощью которых протравливаются равномерные отверстия в кремниевой подложке.

Но производители флеш-памяти не только располагают отдельные ячейки слоями один над другим, чтобы сформировать блок 3D NAND. Они еще и упаковывают в стек эти блоки. То есть плотность записи увеличивается еще в несколько раз. Для соединения отдельных слоев блоков и слоев кристаллов производители вот уже несколько лет используют метод проводной обвязки wire-bonding. В настоящее время таким способом соединяют 8 или 16 кристаллов.

4 Тбайт на одной микросхеме памяти

На снимке (1) представлена внутренняя структура 3D NAND: множество слоев ячеек, расположенных одна над другой. Плотность хранения данных увеличивается, если расположить кристаллы 3D NAND один над другим и соединить их проводами, например, по методу wire bonding (2) . Более эффективен метод TSV, поскольку электроды проходят через слои 3D NAND (3)

На конференции Samsung анонсировала твердотельный накопитель емкостью 128 Тбайт, в котором в один стек будет паковаться до 32 кристаллов — и это будет новый рекорд. На площади размером с ноготь пальца можно будет сохранить до 4 Тбайт данных. Для соединения кристаллов будет использоваться метод wire-bonding: тонкая проводная обвязка будет соединять торцы кристаллов с платой. Но и у этого метода есть свои пределы: он требует много энергии и площади. Кроме того, он подвержен ошибкам в том, что касается целостности сигнала, и чем больше слоев в стеке, тем больше этих нежелательных явлений.

Toshiba же выбрала другой способ соединения и в начале июля впервые представила чипы, в которых используются межслойные соединения Through Silicon Via. Все слои кристаллов для связи используют вертикальные электроды, что позволяет снизить потребляемую мощность вдвое и в то же время повысить скорость передачи данных. В представленных Toshiba микросхемах насчитывается 8 и 16 вертикально расположенных кристаллов NAND, соединенных с помощью TSV, в будущем компания намерена увеличить количество слоев до 32.

Революция ячеек флеш-памяти

Количество электронов, то есть уровень заряда, определяет, какие биты сохраняются в ячейке флеш-памяти. Но чем больше бит должно быть представлено, тем больше технология подвержена ошибкам, поэтому накопителей с QLC почти нет

Чтобы продолжать повышать плотность хранения данных на твердотельных накопителях, производители возвращаются к старому проверенному методу. Теперь ячейки флеш-памяти могут хранить четыре бита — до сих пор фактически было возможно использовать не более трех битов. Такое повышение тесно связано с переходом с 2D на 3D NAND: ячейки 3D могут хранить больше битов и переживают больше циклов перезаписи.

Несколько битов в одной ячейке

С переходом на 3D NAND появилась возможность создавать новый, более надежный тип ячеек с большим количеством циклов перезаписи. Это позволяет выпускать новые твердотельные накопители. Toshiba уже выпускает чипы флеш-памяти 3D NAND на QLC. Появление первых накопителей на рынке ожидается в следующем году

Для того чтобы сохранить некоторое количество определенных битов информации в ячейке, используются отдельные значения напряжения, соответствующие отдельным уровням заряда. Уровень заряда зависит от количества электронов, попадающих в плавающий затвор. Тут возникает проблема: чем чаще записывается ячейка флеш-памяти, тем ненадежнее работает плавающий затвор, поскольку непроводящий слой вокруг затвора истончается и перестает полноценно выполнять свою задачу.

Если ячейка флеш-памяти представляет только один бит, то проблема небольшая, поскольку такая ячейка содержит только два уровня заряда для логических значений «0» и «1». Такая ячейка, называемая одноуровневой (Single-level cell), выдерживает примерно 100 000 циклов перезаписи. Для достижения более высокой плотности хранения данных производители преимущественно используют технологию Triple-level cell («трехуровневая ячейка»): ячейки должны позволять коррект­но хранить восемь уровней заряда для хранения трех битов. TLC с двухмерной флеш-памятью выдерживает около 1000 цик­лов перезаписи. Столь низкое значение тоже связано с тем, что производители для повышения плотности записи все уменьшали структуры двухмерной флеш-памяти. Из-за такого процесса уменьшения до нынешнего размера в 16 нм уменьшилось и максимальное количество электронов, которые может принимать плавающий затвор. В результате уровни заряда теснее сдвигаются друг к другу, что приводит к повышению вероятности появления ошибок.

Четырехуровневые ячейки в трех измерениях

И тут на сцене появляется трехмерная флеш-память. Трехмерная ячейка больше двухмерной — 50–70 нм в поперечнике. А значит, она может вмещать больше электронов, благодаря чему более надежна. Samsung заявляет, что ее новая 64-слойная память 3D NAND способна выдержать не менее 7000 циклов перезаписи. Toshiba пошла еще дальше и первой из производителей флеш-памяти представила чипы 3D NAND с 16 уровнями заряда на ячейку — Quad-level cells, которые хранят четыре бита. По расчетам Toshiba, эти ячейки должны выдержать в целом тысячу циклов перезаписи, чего для многолетней работы накопителя на ПК более чем достаточно.

Toshiba и ее флеш-память 3D NAND с 16 уровнями заряда на ячейку — Quad-level cells, которые хранят четыре бита.

Также Samsung и Micron в 2018 году планируют вывести на рынок накопители на QLC 3D NAND с 96 слоями ячеек. Это значит, что представленные в статье новинки, возможно, и разрабатываются для рынка серверов, однако это не помешает им быстро найти себе место и в производстве твердотельных накопителей для потребительского рынка. Исключение, пожалуй, составят TSV-чипы, поскольку их производство относительно дорого и они предназначены для больших высокоскоростных накопителей, используемых в дата-центрах.

Тем не менее появление представленных здесь инновационных технологий вовсе не означает, что скоро накопители на магнитных дисках перестанут выпускаться, поскольку в обозримом будущем суммарных объемов производства твердотельных накопителей попросту не хватит для того, чтобы утолить постоянно растущую жадность к данным в эпоху цифровых технологий — и в особенности поставщиков облачных сервисов. Но если пользователю ноутбука или домашнего ПК нужна память от 4 до 8 Тбайт, он может уже мысленно ­попрощаться с накопителем на жестких магнитных дисках. И тогда — здравствуй, SSD!

Читайте также:

И SSD умирают: так вы можете узнать, когда придет черед вашего накопителя Охлаждение для SSD-накопителей форм-фактора M.2 10 лучших скоростных SSD-накопителей: быстрее чем SATA

ichip.ru


Смотрите также