V nand и 3d nand в чем отличие

реклама

Появившись намного ранее флэш-памяти, Solid State Drive стал накопителем информации, не содержащим каких-либо механических компонентов. Пионером в создании стала корпорация Dataram, представив для промышленных целей SSD Bulk Core в 1976 году. Он содержал в себе 8 планок энергозависимой RAM-памяти, каждая из которых имела объем 256 килобайт. Стоимость составляла 9700 долларов США. Работал, был востребован, но из-за уязвимости данных высокого авторитета в соответствующих кругах не заслужил.

Потребительский класс стали завоевывать в 1982 году, оснастив компьютер Apple II внешним накопителем RAM Disk, который стоил дороже самого компьютера, поэтому пользователями был принят с большой осторожностью, несмотря на агрессивную рекламу.

Далее, в силу собственного характера и темперамента, я пропущу историю создания и распространения флеш-памяти, пропущу и пересказ того, как был создан первый SSD на ее основе. Всю эту информацию с легкостью можно почерпнуть в сети, готовясь к какому-нибудь докладу или создавая презентацию по теме. А вот на видах и классификациях современных SSD мы с вами задержимся:

Память

реклама

Флеш-память различается методом соединения ячеек в массив. И имеет 2 конструкции: NOR и NAND.

NAND-тип флеш-памяти нам максимально интересен и он был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

1. Планарный тип или 2D.

реклама

реклама

Важной особенностью линии развития памяти в цепочке SLC-MLC-TLC является увеличение уровней ячеек. Но. резко падает выносливость, грубо говоря до серьезных цифр (на порядки) падает число циклов полной перезаписи. Да и скорость падает. Прямо регресс какой-то. Успокаивает то, что цена тоже падает и, как это ни странно, падает ощутимо. Плюс растет качество контроллеров, да всегда уменьшается техпроцесс. Впрочем, чтобы глубоко не погружаться в технические джунгли самому и не замучить вас, мои читатели, скажу, что эти страшные цифры снижения выносливости с переходом применения памяти от одной к другой вряд ли будут опасны для простого пользователя. Этих цифр хватит, чтобы мы с вами пользовались своим новым SSD много лет. Другое дело сервера и рабочие станции. Тут уж не грех и про эту самую «выносливость» подумать. Но и производители не дремлют. Линейка PRO некоторых производителей, например, говорит нам о том, что диск на основе MLC прослужит долго при максимальных нагрузках, но и стоить будет значительно дороже аналога на TLC. Подведя промежуточный итог на этапе рассказа о типах памяти скажем так: SLC получила распространение в корпоративном сегменте, TLC стала безусловным монополистом в рознице, а продукция на основе MLC ориентирована, в первую очередь, на тех, кто ценит надежность и при этом хочет выжать все возможное из своей машины.

Все бы так и оставить, но потенциал двумерной NAND оказался ограничен. С этого я начал свой рассказ о памяти. Когда возможности 15-нанометрового технологического процесса были практически исчерпаны, а дальнейшее совершенствование программной части перестало обеспечивать сколь-либо заметного прироста важнейших показателей, на смену планарным микросхемам пришла флэш-память 3D NAND.

2. 3D NAND

После того, как мы поговорим чуточку о другом, к видам памяти мы еще вернемся, да и у вас, мои дорогие читатели, появится повод дочитать мои размышления до конца.

А поговорим мы о физическом интерфейсе подключения и форм-факторе, что иногда одно и тоже, в свете разговора о пропускной способности. И здесь мы начнем с маленькой, но важной закономерности. Неважно сколько лет мы подключаем свои HDD к шине для накопителей, важно, что сможет позволить этот интерфейс нашей памяти. С какой скоростью он позволяет обмениваться информацией? Вспомним азбучные вещи:

1. IDE / SATA/

Кому-то интересно будет узнать, что IDE SSD тоже были как в форм-факторе 2,5 дюйма, так и 3,5, а вот список привычных интерфейсов пользовательского уровня для внутренних носителей: SATA 2 интерфейс обратно совместим и поддерживается на SATA 1 портах. SATA 3 интерфейс обратно совместим и поддерживается на SATA 1 и SATA 2 портах. Однако максимальная скорость диска будет медленнее из-за скоростных ограничений порта.

Как эти азбучные данные применить к размышлениям о SSD? А вот как:
Например, SanDisk Extreme SSD поддерживает интерфейс SATA 6 Гбит/с и при подключении к портам SATA 6 Гбит/с может доходить до 550/520MБ/s последовательного чтения и последовательной записи соответственно. Однако, когда диск подключен к порту SATA 3 Гбит/с, она может доходить до 285/275MБ/s последовательного чтения и последовательной записи соответственно. В любом случае, это будет много быстрее, чем использование даже самого скоростного HDD.

Дальше возник совершенно простой вопрос. Поскольку память для SSD способна работать и на гораздо больших скоростях, а развитие и физические возможности интерфейса SАТА и всех его итераций исчерпали себя, то надо дать что-то другое данным носителям информацми. Дать новое или уже имеющееся и применяемое. Кстати, несмотря на то, что SАТА для HDD вполне достаточный интерфейс, задумывались о новом, как раз для HDD дисков. А применять стали для SSD. Что же нашли? А вот что:

Далее я просто приведу пример других известных форм-факторов без комментариев. Потом вернемся к обсуждению новейших видов памяти с привязкой ее к этим форм-факторам и их интерфейсам. Мне кажется, что так нам будет легче внести ясность в предмет обсуждения:

Экзотику лишь упомянем. Это, например, накопитель, который вставляют прямо в слот оперативной памяти

Еще один, который сейчас редко встретишь. SATA-Express, с интерфейсом, использующим 2 линии PCI-Express, что позволяет достигать максимальной пропускной способности в 2 ГБ. Реализации не нашел. Сейчас SSD-диски M.2 (забегая немного вперед) могут использовать 4 линии PCI-Express с пиковой пропускной способностью 4 ГБ/с. Для подключения используется специальный кабель.

2. mSATA

3. PCI-E AIC (add-in-card)

4. U.2

двигаемся дальше и поговорим о

это новый стандарт SSD-накопителей. Обычные SSD различных форм-факторов работают по интерфейсу SATA, который передает информацию медленнее, чем на это способен сам накопитель. NVMe работает по интерфейсу PCI Express, производительности которого нам за глаза хватает. Диск NVMe выдает бо́льшую скорость чтения-записи данных.

Плывя по течению простых рассуждений о твердотельных накопителях, мы приближаемся к финалу повествования и вновь вспоминаем мою короткую историю в самом начале. OPTANE+QLC. Надо разобраться. Для этого мы мысленно возвращаемся в раздел Память. Начнем с несколько противоречивого лично для меня этапа развития памяти:

3D NAND QLC.

OPTANE. Intel Optane. Optane Memory.

Что сказать? Младшая версия обойдется нам от 25000 рублей, старшая в 2 раза дороже. Еще раз подчеркну, что здесь мы имеем бескомпромиссную скорость, заявленную надежность, хорошую гарантию и тот объем, который мы захотим себе позволить (из имеющихся).

Я, начиная свой рассказ c прочтенной когда-то рекламы, и поверхностно погрузив вас в тонкости информации о SSD, принял для себя решение о том, какой SSD я бы хотел иметь в своем компьютере. И я приобрел его. Это «всего лишь»:

Безусловно пора заканчивать. В самом финале скажу следующее:

2. Мною не тестировался приобретенный накопитель. Такие тесты уже есть. Плюс, я даже не сказал, какой накопитель у меня был до этого. Не было такой цели.

3. Попытался рассказать попроще о довольно сложном. Возможно, данный материал здесь, учитывая высокий уровень теоретической и практической подготовки наших читателей, поможет кому-то ответить на еще не возникшие вопросы.

Источник

TLC, MLC или 3D V-NAND — какой тип памяти SSD выбрать?

Стоимость твердотельных носителей определяется производительностью, объёмом памяти и количеством допустимых циклов перезаписываемой информации. Все технические характеристики зависят от типа памяти SSD. Рассмотрим, какие виды флеш-памяти бывают во внешних и стационарных накопителях и, что лучше выбрать TLC или MLC.

Содержание:

Существующие типы памяти SSD

Скорость передачи информации, а также количество циклов перезаписи в твердотельных дисках зависят от встроенной флеш-памяти и контроллера. Тип памяти SSD диска по способу построения бывает NAND и 3D NAND. По способу хранения информации накопители бывают четырёх видов TLC, eMLC, MLC, SLC. Все они работают на транзисторах и своеобразных плавающих затворах. При этом уровень напряжения, который хранится на плавающей затворке, и обуславливает значение битов/бита хранимой информации. Единичный транзистор может хранить один бит информации, два или три. Из-за желания увеличить объём памяти твердотельного накопителя и снизить его себестоимость, за всё время существования и было создано четыре типа памяти SSD:

Для домашнего использования чаще всего выбирают SSD с типом памяти TLC или MLC.

Какой тип памяти лучше TLC или MLC

Если брать в целом разницу работы SSD на чипах TLC и MLC, то вторые имеют неоспоримые преимущества:

Главный недостаток — это стоимость твердотельных накопителей с MLC, при том что цена и на бюджетные модели достаточно высокая, несмотря на её значительное снижение в последние годы. К тому же не стоит забывать, что даже самый бюджетный внешний или стационарны SSD с TLC флеш-памятью по производительности будет в несколько раз выше, чем жёсткий диск, так зачем переплачивать.

А также при определении, какой тип памяти лучше TLC или MLC, нужно брать не общие характеристики, а исходные данные вашего компьютера, интерфейс подключения. Например:

Тем более, что это не все параметры, влияющие на работу SSD, его производительность, срок работы и электропотребления. Иногда выгоднее взять накопитель с TLC нового поколения, пусть и уступающего по некоторым техническим характеристикам или равных по ним, чем SSD с устаревшей моделью памяти типа MLC.

Поэтому однозначного ответа, какой тип памяти лучше MLC или TLC нет. Всё зависит от цели покупки и задач возлагаемых на накопитель. Если SSD нужен для офисной работы или частых загрузок сторонней информации с её последующим удалением, или вы гонетесь за скоростью передачи данных, то лучше выбрать MLC. Для спокойного домашнего использования, чтобы увеличить скорость работы компьютера или ноутбука, достаточно будет твердотельного накопителя с памятью типа TLC. У него хватает производительности, чтобы удовлетворить юзера, и срок гарантийного использования, переводя циклы перезаписываемой информации на года, 3-5 лет. Что равняется сроку использования стандартного жёсткого накопителя до его выхода из строя.

3D NAND что это и стоит ли покупать

Для удовлетворения запросов на ёмкость SSD накопителей и чтобы при этом не страдала техническая часть с последующим уменьшением срока работы накопителя, производители стали уменьшать размер самих чипов памяти. Так они дошли до своего предела в 15-12 нм. Исчерпав возможность двигаться в этом направлении и увеличивать память за счёт количества хранения информации на ячейки, они решили изменить структуру их расположения. Так, появились многоуровневые флеш-памяти под аббревиатурой 3D NAND, то есть если ранее ячейки размещались в один слой, то теперь многослойно. Первая компания, которая выпустила трёхмерный чип памяти с трёхуровневыми ячейками, была Самсунг и назвала своё изобретение V-NAND, где V означало “вертикальный”. Другие производители также подхватили эту идею, и в итоге из-за трёхмерной структуры работы чипа памяти он получил название 3D NAND. В будущем планируется выпускать не только 3D V-NAND, но и 3D H-NAND (горизонтальный), так производители смогут ещё больше увеличить ёмкость памяти и срок использования.

Получается, что 3D NAND — это всё те же типы памяти MLC и TLC, только размещаются не одним слоем, а несколькими. Поэтому вы можете приобрести, например, 3D NAND TLC, который будет на голову выше флеш-памяти TLC, но количество хранения будет всё те же 3 Бита. Качественное улучшение произошло только за счёт увеличения количества транзисторов. И скорее всего выбор между 3D NAND TLC и 3D NAND MLC будет определяться личными предпочтениями. Интересно, что многие производители не спешат в характеристиках уточнять, с каким конкретно типом чипа по количеству хранимой информации та или иная модель, просто пишут 3D NAND.

Стоит ли покупать твердотельный накопитель c 3D NAND? Если вам важно долгое хранение информации, производительность твердотельного накопителя, большой объём памяти (сейчас есть устройства с ёмкостью в 6 Тб), то да. Тем более, что за такой конфигурацией флеш-памяти стоит будущее, уже сейчас они по чуть-чуть стали вытеснять с рынка одноуровневые накопители.

Источник

V nand и 3d nand в чем отличие

Версия вашего веб-браузера устарела. Обновите браузер для повышения удобства работы с этим веб-сайтом. https://browser-update.org/update-browser.html

Что такое NAND?

NAND — это энергонезависимая флеш-память, которая может хранить данные, даже если она не подключена к источнику питания. Возможность сохранять данные при выключении питания делает NAND отличным вариантом для внутренних, внешних и портативных устройств. USB-накопители, твердотельные накопители и SD-карты используют флеш-технологию, обеспечивая память для таких устройств, как мобильные телефоны и цифровые видеокамеры.

На рынке представлены несколько типов памяти NAND. Попросту говоря, каждый из типов отличается количеством битов, которое может храниться в каждой ячейке. Биты представляют собой электрический заряд, который может содержать только одно из двух значений — 0 или 1 (вкл./выкл.).

Ключевые различия между типами памяти NAND заключаются в стоимости, емкости и сроке службы. Ресурс определяется количеством циклов программирования-стирания (P/E), которые может выдержать ячейка флеш-памяти до износа. Цикл P/E — это процесс стирания и записи ячейки, и чем больше циклов P/E может выдержать технология NAND, тем выше ресурс устройства.

Стандартные типы флеш-памяти NAND — SLC, MLC, TLC и 3D NAND. В этой статье рассматриваются различные характеристики каждого типа памяти NAND.

SLC NAND

Преимущества: Высочайший ресурс — Недостатки: Высокая стоимость и низкая емкость

NAND-память в одноуровневыми ячейками (SLC) хранит только 1 бит информации на ячейку. В ячейке хранится либо 0, либо 1, и в результате запись и извлечение данных может выполняться быстрее. SLC обеспечивает самую высокую производительность и ресурс: 100 000 циклов P/E То есть такая память служит дольше других типов NAND-памяти. Однако из-за низкой плотности размещения данных SLC является самым дорогим типом NAND-памяти и поэтому обычно не используется в потребительской продукции. Ее типичные области применения — серверы и другое промышленное оборудование, требующее высокой скорости и долговечности.

MLC NAND

Преимущества: Дешевле памяти SLC — Недостатки: Быстродействие и ресурс ниже по сравнению с SLC

Технология NAND-памяти с многоуровневыми ячейками (MLC) хранит несколько битов на ячейку, хотя термин MLC обычно относится к 2 битам на ячейку. MLC имеет более высокую плотность размещения данных по сравнению с SLC, поэтому позволяет создавать носители большей емкости. Память MLC отличается хорошим сочетанием цены, производительности и долговечности. Однако память MLC, обеспечивающая 10 000 циклов P/E более чувствительна к ошибкам данных и имеет меньший ресурс по сравнению с SLC. Память MLC обычно используется в потребительской продукции, где долговечность не столь важна.

TLC NAND

Преимущества: Наименьшая цена и высокая емкость — Недостатки: Низкая долговечность

NAND-память с трехуровневыми ячейками (TLC) хранит 3 бита на ячейку. За счет увеличения числа битов на ячейку снижается цена и увеличивается емкость. Однако это отрицательно сказывается на производительности и ресурсе (всего 3000 циклов P/E). Во многих потребительских изделиях используется память TLC как самый дешевый вариант..

3D NAND

В последние десять лет одной из крупнейших инноваций на рынке флеш-памяти стала память 3D NAND. Производители флеш-памяти разработали технологию 3D NAND, чтобы устранить проблемы, с которыми они столкнулись при уменьшении размера 2D NAND в попытке достичь более высокой плотности при меньших затратах. В памяти 2D NAND ячейки, в которых хранятся данные, размещаются горизонтально, рядом друг с другом. Это означает, что объем пространства, в котором могут быть размещены ячейки, ограничен, и попытка уменьшить размер ячеек снижает их надежность.

Поэтому производители NAND-памяти решили расположить ячейки в пространстве иначе, что привело к созданию памяти 3D NAND с вертикальным расположением ячеек. Более высокая плотность памяти позволяет увеличить емкость без значительного увеличения цены. Память 3D NAND также обеспечивает более высокую долговечность и меньшее энергопотребление.

В целом, NAND — чрезвычайно важная технология памяти, поскольку обеспечивает быстрое стирание и запись данных при более низкой стоимости на бит. С ростом игровой индустрии развитие технологии NAND продолжится, чтобы удовлетворить постоянно растущие потребности потребителей в хранении данных.

Источник

В чем разница между NAND и V-NAND?

в Компьютеры 30.09.2019 0 28 Просмотров

NAND и V-NAND – оба типа являются флэш-памятью, которая является классом энергонезависимой памяти, которая сохраняет данные даже в отсутствие электрического тока. Флэш-память очень портативная и в сочетании с другими характеристиками долговечности и скорости, она идеально подходит для хранения данных, что требуется для SSD или USB-флэш-накопителей. Флэш-память состоит из массива ячеек, которые записывают 1 или несколько бит (0 или 1). Каждая ячейка содержит транзисторы с плавающим затвором, которые захватывают электрический заряд (указывая 1 или 0). Одноуровневые ячейки (SLC) хранят один бит, многоуровневые ячейки (MLC) хранят два, трехуровневые ячейки (TLC) хранят три, а четырехуровневые ячейки (QLC) хранят четыре бита.
С увеличением уровней происходит уменьшение стоимости, но также и уменьшение количества циклов программы/стирания.

Существует два типа флэш-памяти: NOR и NAND, относящиеся к логическим элементам, используемым в ячейках памяти. Преимущество флэш-памяти NOR заключается в возможности чтения, записи и стирания каждого байта в отдельности и более высокой скорости чтения, чем NAND. Но она более дорогая и примерно на 60% менее плотная, чем эквивалент NAND. Память NOR в основном встроена в такие устройства, как мобильные телефоны и небольшие бытовые приборы.

Технология NAND в настоящее время является основным типом флэш-памяти для твёрдотельных накопителей. От сотен до тысяч ячеек расположены на страницах, и в одном блоке есть несколько страниц (128 КБ+). Чип состоит из нескольких блоков. Для записи и стирания данных требуется степень управления блоками, и данные могут считываться только на странице, что делает её непригодным для произвольного доступа на уровне байтов, необходимых для ПЗУ, но отлично подходит для последовательного доступа. NAND обладает лучшей выносливостью, чем NOR (по сообщениям, до 10 раз) и более высокой скоростью записи и стирания благодаря тому, как данные организованы в блоки. И, конечно, другое существенное преимущество этой блочной архитектуры заключается в том, что NAND относительно дешёвая в изготовлении.

V-NAND или 3D V-NAND – это новейшая технология в мире флэш-памяти. Именно здесь плоские NAND (одиночные плоскости ячеек NAND) располагаются вертикально, придавая V в V-NAND. Из-за изменения вертикального расположения ячеек эти твердотельные накопители обладают большей ёмкостью при меньших производственных затратах, вдвое меньше энергозатрат, удвоенной скорости и десятикратной долговечности плоских NAND. Повышенная ёмкость позволила Samsung представить первый в мире твёрдотельный накопитель емкостью 2 ТБ на потребительском рынке в виде Samsung 850 Pro на базе SATA.

Источник

Переход к 3D: влияние архитектуры чипов и алгоритмов записи на срок службы SSD

Хотя с момента появления первого SATA SSD прошло уже 14 лет, многие потребители и по сей день относятся к твердотельным накопителям с изрядной долей скепсиса. Главная причина недоверия — ограниченность рабочего ресурса флэш-памяти, обусловленная постепенной деградацией полупроводниковой структуры чипов, вследствие чего устройства рано или поздно теряют способность к записи и хранению информации. Подробные технические спецификации зачастую лишь усугубляют положение дел: покупателю сложно понять, TBW 500 ТБ, указанные в описании Western Digital Blue 3D NAND SATA SSD на два терабайта — это много или мало? Сколько такой диск продержится в реальных условиях работы и можно ли ему доверить наиболее ценные файлы? Давайте попробуем разобраться в этом вопросе вместе и поговорим о том, насколько надежной является современная флэш-память.

Строго говоря, ответ на «главный вопрос жизни, вселенной и всего такого» был получен еще в декабре 2014 года, когда ребята из сетевого издания TechReport завершили испытания потребительских SSD, продлившиеся в общей сложности год. На примере продукции HyperX, Corsair, Kingston и Samsung они убедительно доказали, что реальный ресурс твердотельных накопителей превышает 1 петабайт перезаписи. Подобные объемы практически немыслимы не то что для рядового пользователя, но даже для профессиональных контентмейкеров: накопитель морально устареет гораздо раньше, чем будет исчерпан его ресурс.

Однако тут есть один существенный нюанс: четыре года назад в ходу были чипы MLC NAND, способные хранить по 2 бита информации в каждой ячейке и изготавливаемые по 25-нанометровому техпроцессу. На тот момент это был хороший компромисс между сверхнадежными SLC (single-level cell) и более вместительными и недорогими TLC (triple-level cell): чипы с двухбитовыми ячейками обеспечивали приемлемую плотность хранения данных, выдерживая вплоть до 5 000 циклов записи/стирания (в среднем этот показатель достигает 3 тысяч). Чего нельзя сказать об их ближайших собратьях: при всех преимуществах, к которым следует отнести высокую емкость и дешевизну, TLC оказались куда менее выносливы, с трудом взяв планку в 1500 тысячи циклов программирования/стирания при том, что большинство планарных микросхем едва выдерживает тысячу.

Главным виновником подобной ситуации стал переход на 15-нанометровый технологический процесс, используемый в ходе производства чипов. Чтобы понять, почему так произошло, достаточно вспомнить, как функционирует NAND-память. Кодирование битов информации происходит путем изменения заряда на плавающем затворе за счет квантового туннелирования электронов сквозь слой диэлектрика, обусловленного высокой напряженностью электрического поля.

Схема транзистора с плавающим затвором

С точки зрения физики мы имеем дело ни с чем иным, как с явлением обратимого лавинообразного пробоя. Разгоняясь в электрическом поле электроны получают достаточную кинетическую энергию для ударной ионизации молекул диэлектрика, в результате чего возникает пара элементарных частиц, несущих противоположный заряд, которые также разгоняются электрическим полем, и процесс повторяется, при этом количество носителей заряда возрастает в геометрической прогрессии (отсюда и название). Нетрудно догадаться, что подобные процессы вызывают постепенный износ диэлектрических слоев, в результате повышается вероятность утечки заряда в соседние ячейки, что, в свою очередь приводит к повреждению или даже полной утрате данных. И переход на новый техпроцесс лишь усугубляет ситуацию: уменьшение толщины диэлектрика приводит к тому, что ячейки выходят из строя значительно раньше.

Однако если бы проблема заключалась только в этом, рядовые потребители, да и корпоративные пользователи, попросту бы не заметили разницу между MLC и TLC, а в технических спецификациях к SSD мы бы видели куда более впечатляющие цифры. В реальности перед нашими глазами предстает совсем иная картина, а причиной этого является сама архитектура флэш-чипов и специфика их работы: отдельные ячейки объединяются в страницы, а страницы — в блоки, при этом запись информации возможна лишь в чистые страницы, а ее удаление осуществляется поблочно.

Что это означает на практике? Предположим, у нас есть частично заполненный блок и мы хотим записать в него новые данные. Если их объем меньше оставшегося свободного места, запись происходит мгновенно, без каких-либо дополнительных манипуляций. Если же места недостаточно, в дело вступают сложные многоэтапные алгоритмы. Рассмотрим ситуацию на приведенной ниже схеме.

Так происходит запись данных во флэш-память

Новые данные, которые мы хотим записать, занимают две страницы в блоке, однако реально свободна лишь одна: хотя старая страница (выделена желтым) была удалена пользователем ранее, по факту записанная информация никуда не делась. Чтобы расчистить место для новых данных, контроллер инициирует процедуру, известную, как «сборка мусора», удаляя ненужные данные и перераспределяя существующие. Для этого все страницы, за исключением ненужной, копируются во второй, свободный блок, тогда как первый полностью стирается. Затем актуальные страницы переносятся обратно в первый блок, удаляются из второго, и лишь после этого новые данные занимают свое законное место.

В приведенном выше примере ради записи двух страниц пришлось дважды полностью перезаписать 2 блока по шесть страниц каждый. На самом же деле процесс «Garbage Collection» будет выглядеть куда сложнее и, как следствие, количество циклов перезаписи окажется значительно больше. Реальную картину можно оценить только зная коэффициент усиления записи (Write Amplification), который показывает, во сколько раз фактическая нагрузка на флэш-память превышает расчетную. Данный показатель может быть равен единице лишь при записи информации на абсолютно чистый, только что отформатированный диск, во всех прочих случаях его значение будет варьироваться в пределах от 2 до 25. Причем даже у, с первого взгляда, идентичных накопителей он может значительно отличаться, так как зависит от модели используемого контроллера и особенностей микропрограммы. Таким образом отказоустойчивость SSD определяется отнюдь не только типом флэш-памяти, но и тем, насколько разработчикам удалось оптимизировать работу прослойки FTL (Flash Translation Layer).

Почему драматическое увеличение плотности хранения данных не сказалось на надежности памяти 3D NAND?

Итак, теперь мы знаем, как работает флэш-память и какие именно факторы определяют надежность SSD-накопителя. Пришло время разобраться в том, какие преимущества обеспечил переход с «плоских» чипов на трехмерные. В первую очередь, 3D NAND отличается от своих предшественников за счет использования «ловушки зарядов» (Charge Trap Flash) вместо ставших привычными плавающих затворов. Если в последних для хранения зарядов используется поликремний с допирующими добавками, то в CTF — изолированная область из непроводящего материала, в роли которого чаще всего выступает SiN — нитрид кремния. Такой подход позволил минимизировать вероятность утечки заряда и, как следствие, повысить стабильность ячеек.

Архитектура чипов трехмерной памяти также претерпела значительные изменения по сравнению с предшественником, так как теперь каждая ячейка имеет цилиндрическую структуру: внешний слой представляет собой управляющий затвор, а внутренний — изолятор. Так как теперь ячейки расположены друг над другом, они формируют стек, внутри которого проходит канал из поликристаллического кремния. Легко понять, что количество слоев в чипе определяет количество ячеек в стеке.

Устройство ячейки чипа 3D NAND

Такая структура позволила снизить интерференцию между ячейками и тем самым упростить алгоритм записи: поскольку отпала необходимость в проверке состояния заряда, запись в ячейку стала осуществляться в один шаг. Еще один важный нюанс: для производства 3D NAND используются обкатанные технологические процессы при том, что плотность упаковки ячеек удалось повысить в разы. Так, например, даже 48-слойные чипы (третье поколение трехмерной флэш-памяти) выпускались по 40-нанометровому техпроцессу. Это позволило не только повысить их надежность, но и удешевить производство, так как существующие производственные линии нуждались лишь в минимальной модернизации, а потребность в литографии в глубоком ультрафиолете полностью отпала.

Если же говорить конкретно о продукции Western Digital, то в современных WD Black SN750 NVMe SSD, старт продаж которых стартовал 18 января 2019 года, используется 64-слойная TLC 3D NAND BiCS (Bit Cost Scalable), выполненная по 28-нанометровому техпроцессу. Помимо увеличения плотности упаковки еще в 1.4 раза (топовая модель отныне имеет емкость 2 ТБ, что вдвое превышает объем флагмана предыдущего поколения), важной особенностью микросхем данного типа является использование U-образных строк.

Архитектура 3D NAND BiCS

Поскольку теперь переключающий транзистор и линия истока располагаются в верхней части кристалла, они практически не подвергаются высокотемпературным воздействиям, которые сами по себе способны приводить к ошибкам во время операций чтения/записи, что позволило дополнительно повысить надежность твердотельных накопителей.

Как алгоритмы записи влияют на продолжительность жизни SSD?

Выше мы уже писали о том, что какой бы выносливой и защищенной ни была сама флэш-память, ее ресурс будет расходоваться впустую, если разработчики SSD не озаботились созданием эффективных алгоритмов записи. Чтобы оптимизировать данную процедуру, используются две весьма эффективные методики: SLC-кэширование и выравнивание износа (Wear Leveling).

Суть первой заключается в том, что часть доступного массива памяти, размер которой зависит от общего объема накопителя (например, при разработке WD Blue 3D NAND SSD мы исходили из расчета 4 ГБ кэша на каждые 250 ГБ емкости) переводится в режим работы SLC, то есть, в каждую ячейку записывается лишь один бит информации, что позволяет как существенно увеличить ее производительность, так и снизить темпы износа. SLC задействуется в ходе записи и консолидации хранящихся на SSD данных, что позволяет не только увеличить скорость проводимых операций, но и снизить темпы износа ячеек. В актуальных версиях твердотельных накопителей Western Digital используется технология nCache 3.0, последняя версия которой обзавелась функцией direct-to-TLC, что позволило найти баланс между кэшированием и быстродействием: запись данных происходит в обход кэша при его переполнении или в тех случаях, когда использование SLC-буфера оказывается нецелесообразным. Это, с одной стороны, помогло разгрузить кэш, и в то же время избежать драматического падения производительности при его заполнении.

Динамика скорости записи на SSD при заполнении SLC-буфера

Что же касается технологии выравнивания износа, то она способствует тому, чтобы все имеющиеся блоки страниц задействовались как можно более равномерно. Как известно, любая операционная система использует логический механизм адресации блоков данных (LBA), тогда как сам контроллер оперирует уже физическими адресами (PBA), соотнося их с логическими. Вследствие этого не имеет никакого значения, где на самом деле расположены фрагменты файлов, за счет чего можно написать микропрограмму, которая будет следить за тем, чтобы нагрузка между ячейками распределялась равномерно.

Выравнивание износа обеспечивает равномерность нагрузки на ячейки

В общем случае ее алгоритм выглядит следующим образом. Вы купили новенький SSD и пока на нем есть свободное место, информация будет записываться в свободные блоки. По мере эксплуатации вы начинаете удалять ненужные файлы, и механизм сборки мусора осуществляет их очистку в фоновом режиме, однако для записи они будут использоваться лишь после того, как на диске не останется ни одного блока, в который хотя бы раз не были бы записаны данные. Конечно же, в реальности все намного сложнее, но смысл не меняется.

И здесь следует сделать еще одно важное примечание, касающееся продукции Western Digital. Когда мы приняли решение осваивать рынок SSD, то могли пойти двумя путями: закупать память и контроллеры у сторонних производителей, сосредоточившись лишь на разработке и оптимизации микропрограмм, либо наладить производство полного цикла. Запускать подобный проект с нуля было бы нецелесообразным, и даже покупка SanDisk влетела нам в копеечку. Но вложенные средства отбились сполна: контролируя производство чипов, мы получили возможность адаптировать микропрограммы под особенности микросхем.

Следует понимать, что запись битов информации в ячейки флэш-памяти — гораздо более сложный процесс, чем может показаться с первого взгляда: в нем учитываются сотни разнообразных параметров, важнейшими из которых являются напряжение, необходимое для переноса заряда, и время записи. По мере износа чипов меняются и их физические характеристики: для успешной записи данных требуется уже меньшее напряжение, вместе с тем сокращается и необходимое время его воздействия на ячейку. В большинстве твердотельных накопителей эти параметры постоянны, но в SSD Western Digital они, напротив, динамически изменяются по мере износа ячеек, что позволяет максимально продлить срок службы каждой из них, минимизируя негативное воздействие на полупроводниковые структуры.

QLC 3D NAND — флэш-память последнего поколения

Если вы следите за новостями из мира высоких технологий, то наверняка в курсе, что Western Digital активно осваивает производство трехмерной памяти следующего поколения — QLC 3D NAND (первый анонс состоялся еще в июне 2018 года). Аббревиатура QLC расшифровывается, как quad-level cell. Иными словами, в одной ячейке могут храниться 16 уровней заряда, кодирующих уже не три, а четыре бита информации. По сравнению с TLC 3D NAND, плотность записи в QLC увеличилась на 33%: таким образом, емкость одного 64-слойного чипа возросла до 768 Гбит. Но и это не предел: в августе 2018 года мы начали выпуск 96-слойных микросхем. За счет увеличения количества слоев нам удалось получить 50-процентный прирост емкости и преодолеть барьер в 1 Тбит: новые чипы, получившие название 3D NAND BiCS4 способны вмещать 1.33 Тбит информации, что составляет около 166 ГБ. Добиться столь высокой плотности хранения данных удалось путем объединения двух 48-слойных кристаллов (на сегодняшний день именно такой подход является наиболее экономически оправданным).

Объединение двух 48-слойных чипов в один 96-слойный

Возросшая емкость потенциально способна снизить производительность SSD, однако на этот счет переживать не стоит: в новой флэш-памяти 3D NAND BiCS4 вместо двух физических массивов используется четыре, что позволяет оптимизировать чтение и запись данных за счет распараллеливания операций, а это, в свою очередь, поможет более эффективно использовать кэш и контролировать уровень износа ячеек, сохранив рабочий ресурс QLC-чипов на уровне, сопоставимом с современными TLC-решениями. Впрочем, описание технологий, лежащих в основе QLC, выходит за рамки данного материала и, безусловно, заслуживает отдельной статьи.

Источник