Новый стандарт для твердотельных накопителей. Традиционные твердотельные накопители различных типов используют интерфейс SATA, скорость которого ниже, чем емкость самого накопителя. NVMe работает через интерфейс PCIExpress. Для нас это работает значительно лучше. Диски NVMe обеспечивают более высокую скорость чтения/записи.
3D NAND – что это. Разбираемся с преимуществами технологии
В нашей предыдущей статье мы «пробежались» по типам памяти, используемым в твердотельных накопителях. Мы проанализировали различия между MLC и TLC, а также плюсы и минусы каждого типа. Но речь идет о технологии плоской памяти, а сегодня в тренде многослойная и трехмерная память. 3D NAND — что это такое? Каковы его преимущества, перспективы и действительно ли он нам нужен? Давайте посмотрим на это.
В последние годы перед нами стоит задача создания высокоемких, быстрых, надежных и компактных хранилищ данных. Твердотельные накопители быстро завоевывают рынок смартфонов, планшетов, фото- и видеоустройств, других мобильных и менее мобильных устройств и, конечно же, твердотельных накопителей. Учитывая ограничения некоторых твердотельных накопителей, все, что требуется, — это большой чип памяти и малый размер. Взгляните на форм-фактор M.2 и поймите, что на этой маленькой плате нет места для большого количества микросхем.
В течение некоторого времени расширение мощностей было возможно, по крайней мере, двумя способами.
- Увеличение количества битов, хранящихся в ячейке памяти. Это привело к появлению MLC (2 бита на ячейку памяти), которая была активно заменена TLC (3 бита на ячейку памяти).
- Для уменьшения физического размера ячеек памяти требуются все более чувствительные процессы. Так, 32 нм техпроцесс был заменен на 24 нм, который затем был заменен на 19 нм, и последний используемый в настоящее время техпроцесс — 15 нм.
Оба метода используются для увеличения емкости чипа, но суть в том, что новейший 15 нм техпроцесс на самом деле является новейшим, потому что технологические пределы уменьшения физического размера ячейки были достигнуты, и 15 нм на самом деле является новейшим техпроцессом. Она производит обычную память NAND.
Что собой представляет NAND-память
Если посмотреть на архитектуру памяти, то единицей хранения информации является транзистор. Традиционно используются транзисторы с плавающим затвором, хранящие один, два или три бита информации. Количество этих битов зависит от типа памяти, которая может быть прочитана в другом месте.
Упрощенная схема памяти NAND показана на рис. Ячейки (или транзисторы) соединены в последовательность по 16 или 32 ячейки в группе, образуя страницу, которая формирует блок. Можно представить себе некое плоское поле, покрытое ячейками памяти.
Недостатком такой конфигурации памяти является то, что она требует обработки блоков данных, а не отдельных битов или байтов. Это означает, что невозможно по ошибке получить доступ к одной ячейке. Это не проблема, когда речь идет о чтении, но это проблема, когда речь идет о письме. Чтобы изменить один бит, блок данных должен быть прочитан, изменен и записан обратно.
Это требует некоторой энергии (и времени) для программирования клетки при письме. Немодифицированные клетки также заменяются. Отсюда ограничение на количество циклов перезаписи, часто упоминаемое в твердотельных накопителях. Это стало особенно важно с массовым внедрением трехразрядных ячеек (TLC). Теперь, чтобы сохранить низкую стоимость чипов памяти, приходится идти на некоторые жертвы.
Такое соединение ячеек позволяет более плотно расположить ячейки на чипе, что приводит к созданию чипов памяти большой емкости. Чем больше информации можно хранить на одной площади чипа, тем ниже стоимость конечного продукта (в данном случае SSD).
Как упоминалось выше, размер клеток не может уменьшаться бесконечно. Плотность клеток также не может быть увеличена. Техпроцесс 15 нм достиг предела, за которым нет места для дальнейшего развития. Ячейки настолько малы, что дальнейшее уменьшение привело бы к утечке нагрузки из одной ячейки в другую, что, конечно, недопустимо.
3D NAND – что это, спасение?
Можно сказать, что так и есть. Если стоимость чипа памяти зависит от его размера и его сжатие становится невозможным, почему бы не перейти от двумерной (плоской) организации ячеек к трехмерной и не расширяться по вертикали? В этом заключается фундаментальное отличие 3DNAND от старой «плоской» системы компоновки ячеек.
В этом случае ячейка имеет форму цилиндра, с внешним слоем управляющих затворов, внутренним слоем изоляторов и слоем между ними, хранящим биты информации. Эти ролики расположены вертикально и образуют стопку, убивая сразу несколько кроликов. Помимо увеличения емкости, чипы памяти также имеют возможность вернуться немного назад, вернуться к «более толстому» процессу, снижая риск помех от соседних ячеек и распространения нагрузки от одной ячейки к другой.
Первой из них была компания Samsung, которая ввела термин V-NAND (V — вертикальный). Первое поколение было разработано с 24 слоями, второе — с 32, а третье — с 48. Компании Micron и Toshiba позже представили свои чипы памяти и теперь производят их с 64 слоями.
Кроме того, существуют различия в архитектуре этих чипов и подходе к позиционированию на чипе.
Micron располагает элементы управления под ячейками NAND, что позволяет экономить место на чипе и увеличивать емкость. Кроме того, Samsung и Toshiba отказались от технологии плавающего затвора, но использовали флэш-память с ловушкой заряда (CTF), в которой для хранения груза используется изолированная область (т.е. изоляция уменьшает утечку и повышает надежность памяти).
В Toshiba управляющие элементы расположены в верхней части, и, по словам представителей компании, эти элементы меньше подвержены нагреву. Кроме того, линии клеток изогнуты, как буква «U», а не выровнены. Это уменьшает количество ошибок при операциях чтения/записи. И, как уже упоминалось выше, используется технология CTF. Сама компания Toshiba называет память BiCS3DNAND (bit cost scalable).
В целом, подход разный, и как только появляется достаточное количество микросхем памяти от разных производителей, которые можно протестировать и сравнить, становится понятно, что хорошо, а что плохо, и накапливается некоторая статистика использования.
Таким образом, 3D-память устранила необходимость в улучшении технических процессов как одного из способов увеличения емкости чипов. Однако есть еще несколько технических проблем, которые, судя по приятным заявлениям почти всех чипмейкеров, были успешно преодолены. Поэтому SK Hynix вскоре сосредоточится на производстве 72-слойных чипов. Сама компания Toshiba завершила производство 64-слойных чипов, предлагая в настоящее время емкость 256 ГБ (32 ГБ), а чипы 3DNAND емкостью 512 ГБ (64 ГБ) будут выпущены в ближайшее время.
Судя по всему, вторая половина этого года обещает быть интересной. Увеличится емкость чипов и будет предложено большее количество слоев кристаллов.
Все современные твердотельные накопители оснащены очень совершенными контроллерами, которые не позволяют памяти расходоваться слишком быстро, поэтому нет необходимости думать о сроке службы.
Типы флэш памяти, используемой в SSD для домашнего использования
В твердотельных накопителях используется флэш-память. Флэш-память представляет собой особым образом организованные ячейки памяти на основе полупроводников, которые могут быть разных типов.
В целом, флеш-память, используемая в твердотельных накопителях, может быть разделена на следующие типы
- Что касается функциональности чтения/записи, почти все твердотельные накопители, коммерчески доступные для потребительского использования, относятся к типу NAND.
- По технологии хранения данных память можно разделить на SLC (одноуровневые ячейки) и MLC (многоуровневые ячейки). Ячейки SLC могут хранить один бит информации, в то время как многоуровневые ячейки могут хранить несколько бит. В то же время твердотельные накопители для домашнего использования не имеют SLC-памяти, только MLC.
С другой стороны, TLC также является разновидностью MLC, но отличается тем, что вместо двух бит информации ячейка памяти содержит три бита информации (иногда вместо TLC используется название 3-битная MLC или MLC-. 3). Другими словами, TLC — это подмножество MLC-памяти.
Что лучше — MLC или TLC
В целом, MLC память имеет преимущества перед TLC памятью, основными из которых являются
- Более высокая скорость работы.
- Более длительный срок службы.
- Более низкое потребление энергии.
Недостатком является более высокая стоимость MLC по сравнению с TLC.
Обратите внимание, однако, что это «общий случай» реальных устройств, встречающихся на рынке.
- Твердотельные накопители с памятью TLC и MLC, подключенные через интерфейс SATA-3, имеют одинаковую скорость (при прочих равных условиях). Действительно, некоторые твердотельные накопители на базе TLC с интерфейсами PCV-E NVMe могут быть быстрее накопителей с памятью PCI-E MLC при сопоставимых ценах (хотя в «топовых», высококлассных и более быстрых SSD обычно, но не всегда, используется память MLC).
- Гарантированный срок службы (TBW) TLC-памяти одного производителя (или серии дисков) больше по сравнению с MLC-памятью другого производителя (или другой серией SSD).
- То же самое относится и к энергопотреблению. Например, накопитель SATA-3 с памятью TLC может потреблять на одну десятую меньше энергии, чем накопитель PCI-E с памятью MLC. Более того, для одного и того же типа памяти и одного и того же интерфейса энергопотребление также сильно варьируется от устройства к устройству.
И это еще не все: скорость, срок службы и энергопотребление также зависят от «поколения» диска (новые диски, как правило, более совершенны: SSD продолжают развиваться и совершенствоваться), его общей емкости и свободного пространства в использовании, а также температуры в использовании (для быстрых NVMe-дисков (в случае быстрых NVMe-дисков).
Таким образом, нельзя отрицать, что MLC превосходит TLC. Например, купив более емкий современный SLC-диск с лучшим набором функций, чем TLC, вы сможете приобрести диск с MLC по аналогичной цене. Это означает, что необходимо учитывать все параметры и начинать анализ с доступного бюджета на покупку (например, если речь идет о бюджете менее 10000 рублей, то память обычно предпочтительнее MLC, как для дисковых SATA-устройств, так и для PCI-E устройств, использующих TLC). Память QLC.
Накопители SSD с памятью QLC
С конца прошлого года на рынке появились SSD с памятью QLC (четырехуровневые ячейки, то есть четыре бита в ячейке памяти), и в 2019 году таких накопителей может стать все больше, но стоимость обещает быть привлекательной.
Готовые продукты имеют следующие преимущества и недостатки по сравнению с MLC/TLC
- Низкая стоимость одного гигабайта
- Более высокая чувствительность к деградации памяти, теоретически увеличивающая вероятность ошибок при записи данных
- Низкая скорость записи.
Пока трудно говорить о деталях, но некоторые примеры того, что уже есть на рынке, можно рассмотреть. Например, если вы получите почти аналогичный накопитель M.2512GBSSD от Intel на базе QLC3DNAND и TLC3DNAND, производитель заявляет следующие характеристики
- 6-7 тыс. рублей против 10-11 тыс. рублей. и 1024GBQLC по цене 512GBTLC.
- Заявленная записываемая емкость (TBW) составляет 100 ТБ против 288 ТБ.
- Скорость чтения/записи составляет 1000/1500 против 1625 /3230 МБ/с.
С одной стороны, недостатки могут перевесить преимущества по стоимости. С другой стороны, можно учесть такие моменты: в случае с дисками SATA (если использовать только этот интерфейс) вы не заметите разницы в скорости, а прирост скорости по сравнению с HDD очень важен, но параметры одинаковы для 1024 ГБ QLC SSD (в моем примере 512 ГБ TLC при той же стоимости, что и SSD) уже имеет TBW в 200 ТБ (более крупные SSD имеют «более долгий срок службы» в зависимости от способа записи).
