qlc 3d nand что это
Различия между типами памяти SLC, MLC, TLC и 3D NAND в USB-накопителях, твердотельных накопителях и картах памяти
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.
Технология флеш-памяти 3D NAND
Всем привет! Как вы знаете, современная планарная флеш-память NAND почти исчерпала свой потенциал. Основной её проблемой является то, что уменьшать размеры кристалла становится все труднее. По прогнозам экспертов, 14-15 нм технологические нормы станут пределом планарной флеш-памяти, по крайней мере на ближайшее время. А на смену ей придет технология «вертикальной» флеш-памяти – 3D NAND.
Очень важно понимать, что же мешает дальнейшему уменьшению размеров кристалла. Прежде всего, для освоения более тонких техпроцессов необходимо дорогостоящее оборудование, покупка которого может в дальнейшем не оправдаться с экономической точки зрения. И если приобретение новых литографических машин – вопрос решаемый, то проблему перетекания заряда из одной ячейки в другую, из-за которой возникают ошибки, решить не так легко.
Словом, индустрия оказалась в ситуации, когда ресурсы обычной, планарной, флеш-памяти оказались исчерпаны. Поэтому появилась идея размещать ячейки не только в плоскости, но еще и слоями. Таким образом, чип получает трехмерную структуру и способен вмещать значительно больше информации на единицу площади, нежели двухмерные кристаллы. Технология получила название 3D NAND. Тут же стоит отметить, что производители используют различные техники для создания трехмерной памяти, поэтому архитектура 3D NAND у каждой компании может иметь свои особенности и отличия.
Первой компанией, наладившей производство трехмерной флеш-памяти под названием 3D V-NAND и накопителей на их основе, был корейский гигант Samsung. Еще в 2013 году они объявили о выпуске первых трехмерных чипов типа MLC, насчитывающих 24 слоя. А уже через год 3D реализацию получила флеш-память TLC, число слоев которой увеличилось до 32.
Как вы знаете, в основе конструкции планарной флеш-памяти лежит транзистор с плавающим затвором. Плавающий затвор обладает способностью удерживать заряд в течение длительного времени. Как оказалось, в этом кроется основной недостаток конструкции: при уменьшении техпроцесса вследствие износа ячеек заряд может перетекать из одной ячейки в другую. Для решения этой проблемы Samsung использует технологию 3D Charge Trap Flash, что в переводе с английского означает «ловушка заряда».
Её суть заключается в том, что заряд теперь помещается не в плавающий затвор, а в изолированную область ячейки из непроводящего материала, в данном случае — нитрида кремния (SiN). Тем самым снижается вероятность «утечки» заряда и повышается надежность ячеек.
Помимо всего прочего, применение технологии CTF позволило сделать чипы памяти более экономичными. По данным Samsung, экономия может достигать 40% в сравнении с планарной памятью.
Трехмерная ячейка 3D V-NAND представляет собой цилиндр, внешний слой которого является управляющим затвором, а внутренний – изолятором. Ячейки располагаются друг над другом и формируют стек, внутри которого проходит общий для всех ячеек цилиндрический канал из поликристаллического кремния. Количество ячеек в стеке эквивалентно количеству слоев флеш-памяти.
3D V-NAND память также может похвастаться более высокой скоростью работы. Этого удалось достичь за счет упрощения алгоритма записи в ячейку – теперь вместо трех операций выполняется всего одна. Упрощение алгоритма стало возможным благодаря меньшей интерференции между ячейками. В случае с планарной памятью из-за возможных помех между соседними ячейками требовался дополнительный анализ перед записью. Вертикальная память свободна от этой проблемы, и запись выполняется за один шаг.
Ну и несколько слов о надежности. 3D V-NAND память значительно меньше подвержена износу благодаря тому, что для записи информации в ячейку не требуется высокого напряжения. Напомним, для того чтобы поместить данные в ячейку планарной памяти применяется напряжение порядка 20 В. Для трехмерной памяти этот показатель ниже. На надежности благоприятно сказался и тот факт, что производство трехмерной флеш-памяти не требует тонких технологических норм. Например, третье поколение памяти 3D V-NAND с 48 слоями производится по отлаженному 40 нм техпроцессу.
Пока Samsung производила чипы трехмерной флеш-памяти себе в убыток (что, кстати, было официально подтверждено корейской компанией), другие производители флеш-памяти разрабатывали конкурирующие технологии. Так, компании Toshiba и SanDisk объединились в альянс для выпуска трехмерной флеш-памяти BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).
Работа над технологией началась еще в 2007 году силами одной Toshiba, а первые образцы трехмерной флеш-памяти BiCS были продемонстрированы в 2009 году. С тех пор развитие технологии не форсировалось. Кроме того, альянс Toshiba/SanDisk четко дал понять, что они не собираются выводить трехмерную флеш-память в массовое производство до тех пор, пока это не будет экономически выгодно.
Основным отличием 3D флеш-памяти Toshiba от планарной, как и в случае с Samsung 3D V-NAND, является использование технологии CTF вместо классических транзисторов с плавающим затвором. Материалом для изолированной области также служит нитрид кремния (SiN). Принцип действия технологии в BiCS 3D NAND остается тем же самым: информация помещается не в плавающий затвор, как раньше, а в изолированную область.
Что выгодно отличает BiCS 3D NAND от технологии 3D V-NAND, так это использование U-образных строк (линий). Это означает, что ячейки группируются не в ряд, а в имеющую форму буквы U последовательность. По словам Toshiba, такой подход позволяет добиться максимальной надежности и скорости работы. Это стало возможным благодаря тому, что в U-образном дизайне переключающий транзистор и линия истока располагаются в верхней части последовательности (а не в нижней, как при «рядном» дизайне) и не подвергаются высокотемпературному воздействию, вследствие чего уменьшается количество ошибок при чтении и записи.
Также к преимуществам U-образного дизайна Toshiba относит и тот факт, что такая конструкция не требует использования фотолитографии в глубоком ультрафиолете. Поэтому для изготовления трехмерной флеш-памяти компания может использовать существующие производственные мощности.
Интересно и то, что в производстве BiCS 3D NAND компания Toshiba впервые в массовом будет применять технологию тонкопленочных транзисторов (TFT).
Что касается технических характеристик чипов BiCS, то это будут 48-слойные кристаллы памяти типа TLC. Их плотность составит 256 Гбит. При производстве будет использоваться отлаженный 30-40 нм техпроцесс. В целом, по характеристикам первые массовые чипы BiCS 3D NAND будут очень схожи с третьим поколением кристаллов Samsung 3D V-NAND.
Альянс Micron/Intel также ведет разработку собственной трехмерной флеш-памяти. Многие эксперты предрекали, что все проекты 3D NAND будут использовать технологию CFT, однако Micron с Intel удивили всех и пошли иным путем. Основу их трехмерной флеш-памяти составляют ячейки с плавающим затвором. В Micron утверждают, что именно такая архитектура позволяет более надежно хранить заряд в ячейке.
Micron обещает наладить массовое производство чипов трехмерной флеш-памяти уже в этом году. Это будут 32-слойные кристаллы плотностью 256 Гбит (MLC) и 384 Гбит (TLC).
Об архитектуре трехмерной флеш-памяти SK Hynix известно не многое. Изначально южнокорейская компания планировала использовать ячейки с плавающим затвором, однако в конце концов выбор пал на технологию CTF. В этом году SK Hynix обещает наконец-то наладить массовое производство 3D NAND. Это будут 48-слойные чипы TLC емкостью 256 Гбит.
Принцип работы NAND-памяти
Содержание
Содержание
Современные мобильные гаджеты, повышение быстродействия компьютерных систем и производство недорогих, но быстрых накопителей для хранения большого объема информации напрямую связано с микросхемами памяти.
В быстродействующих устройствах хранения данных используются микросхемы флеш-памяти. Анонсировали их в 1988-89 году, когда компании Intel и Toshiba представили память с архитектурой NOR (Intel) и NAND (Toshiba). Именно вторая разновидность стала наиболее популярной, так как имела больше возможностей для миниатюризации. Почему, сейчас разберемся.
Полевой транзистор с плавающим затвором — основа ячейки памяти
Основой всей технологии флеш-памяти, в том числе и NAND, является полевой транзистор с плавающим затвором. В общем случае его структура выглядит так:
Перед нами обычный полевой транзистор, у которого, помимо управляющего, появился еще один затвор. Так вот в этом затворе, называющемся «плавающий», как раз и кроется вся особенность технологии.
Дело в том, что этот затвор и полупроводник, представляющий собой канал транзистора между стоком и истоком, разделяет тонкий слой диэлектрика. Электроны воздействии положительного напряжения к затвору, смогут не только направиться по своему обычному пути внутри полупроводника, но и «перескочить» с помощью инжекции или туннелирования через слой диэлектрика в плавающий затвор.
Разумеется, так смогут сделать не все электроны, а только их часть — те, которые получили большую энергию. При этом они не пробивают слой диэлектрика в физическом смысле, а в соответствии со своими квантово-волновыми свойствами «перепрыгивают» сразу в плавающий затвор. Вернуться обратно «перепрыгнувшие» электроны не могут, так как у них для этого не хватает энергии.
То есть, мы можем подать напряжение и тем самым «затащить» электроны в плавающий затвор. Они там останутся, когда мы включим транзистор в следующий раз — заряд, сосредоточенный на плавающем затворе окажет влияние на расположенный под ними канал между стоком и истоком: пропустит или не пропустит ток через транзистор независимо от напряжения на управляющем затворе. В самом простом случае мы получаем два состояния — ток есть или тока нет. Ноль и единицу. Что нам и требовалось.
Причем это состояние может сохраняться достаточно долго. Конечно, это время не бесконечно. Постепенно заряд на «плавающем» затворе потеряется. Но этого времени вполне достаточно для хранения информации в реальных условиях применения, так как речь идет о годах.
Разумеется, записанную информацию, то есть, заряд на плавающем затворе, можно стереть. Для этого достаточно подать на управляющий затвор напряжение обратной полярности, чтобы электроны смогли покинуть плавающий затвор и вернулись в проводящий канал транзистора. До этого времени заряд и логическое состояние транзистора сохраняется из-за того, что энергии электронов недостаточно для преодоления потенциального и физического барьера в виде тонкого слоя диэлектрика.
В процессе развития и миниатюризации технология изготовления полевых транзисторов с плавающим затвором менялась и совершенствовалась. Если первые элементы памяти создавали в планарном виде на поверхности кристалла, то сейчас используется технология 3D NAND или V-NAND (разные маркетинговые названия), в которой структура транзистора сформирована не на горизонтальной плоскости, а на вертикальной. Это позволяет экономить площадь и увеличивать объем памяти, который размещается в одной микросхеме. Принцип работы транзистора при этом остается прежним.
Кроме того, сейчас используют не только металлические плавающие затворы. Появились технологии изготовления кристаллов микросхем, повышающие их надежность и позволяющие удерживать заряд в течение большего времени. Например, компания Samsung использует для захвата зарядов и работы в качестве «плавающего затвора» изолированные области из непроводящего материала нитрида кремния SiN. Они называются 3D Charge Trap Flash — «ловушки заряда». Их применение увеличивает срок хранения заряда, а, следовательно, и информации в ячейке, а также делает микросхемы экономичнее в плане энергопотребления.
NAND и NOR ячейки памяти — как они работают
Транзисторы с плавающим затвором соединяются в матрицы, хранящие слова данных по нужным адресам, разными способами. Основными являются NAND и NOR. Эти аббревиатуры представляют собой сокращения словосочетаний «Not AND» и «Not OR» — соответственно «И-НЕ» и «ИЛИ-НЕ».
Схематично способ построения матриц в двух случаях выглядит так:
Как видите из представленных схем, построение матрицы по схеме NOR удобно тем, что можно просто получить доступ к любой конкретной ячейке и записать информацию именно в нее. В случае с NAND несколько одиночных ячеек памяти соединены последовательно и для того, чтобы записать состояние «ноля» в одну из них, надо, чтобы все другие были открыты и пропускали ток.
Именно по этой причине стирание информации в микросхемы NAND-памяти производится поблочно, а для того, чтобы записать новые данные, обновляют информацию сразу для множества ячеек (осуществляют запись «постранично»). Но зато такая схемотехника позволила значительно упростить топологию и сократить размеры ячеек памяти на кристалле. Поэтому в современной микроэлектронике именно NAND-память является основной. И когда вы покупаете новый SSD-диск, то в нем стоят именно микросхемы с NAND-памятью.
Как в одной ячейке удается хранить до 4 бит данных
Небольшими размерами преимущества ячеек NAND-памяти не ограничивается. Еще один интересный и полезный момент заключается в том, что в них можно записать не один, а несколько (до четырех) битов информации. Теоретически можно и больше, но пока реально можно говорить только о четырех, так как дальше начинаются серьезные технические сложности. Тем не менее, на мероприятии Flash Memory Summit 2019 представители компании Toshiba уже представили идею записи по пять бит данных в каждую ячейку. Но пока до практического применения дело ещё не дошло.
Разберемся, как работает запись нескольких бит информации в одну ячейку. Транзистор с плавающим затвором представляет собой элемент, который может находиться не только в двух состояниях — закрытом и открытом, но и в промежуточных. Фактически это аналоговый элемент, способный пропускать по цепи сток-исток ток разной величины в зависимости от того, какой заряд имеется на затворах и какое поле им создается.
Это значит, что можно «загнать» в плавающий затвор (в 3D NAND — в «ловушку зарядов») столько электронов, сколько понадобится, чтобы пропускать определенный ток через транзистор при определенном значении порогового напряжения. Таких пороговых напряжений может быть несколько, так как есть возможность накопить заряд больше или меньше — столько, сколько потребуется, чтобы в ячейке записалась нужная информация. Далее, подавая на транзистор напряжение и контролируя ток, можно судить о его состоянии, то есть о том, какие данные он хранит.
Отсюда и возникают ячейки памяти, в которых хранится не один бит информации, а больше, вплоть до четырех. Поэтому вся память делится на две категории: SLC (сокращение от Single Level Cell — одноуровневые ячейки) и MLC (Multi Level Cell — многоуровневые ячейки).
С SLC-ячейками все просто. Это классические элементы памяти, которые хранят один бит с двумя состояниями, одно из которых соответствует заряженному затвору, а второе — разряженному.
MLC-ячейки в свою очередь подразделяются на:
Такое увеличение плотности записи с одной стороны повышает объемы накопителей. Но с другой снижается надежность, так как требуется высокая точность записи состояния и последующего чтения данных. Увеличивается и время, которое тратится на чтение и запись данных, так как надо понять, в каком из 4, 8 или 16 режимов находится транзистор.
Дальнейшие перспективы технологии
Чтобы еще больше увеличить плотность хранения данных в одной ячейке и перейти на хранение пяти бит информации, потребуется контролировать уже 32 режима работы транзистора. Учитывая, что питание микросхем составляет единицы вольт, речь идет о том, чтобы соблюдать точность измерения и установки пороговых напряжений в сотые доли вольта. И это только одна из сложностей, которые надо решить.
Кроме того, надо решать такие задачи, как коррекция ошибок, надежность и количество циклов записи/чтения. Последняя проблема — одна из наиболее критичных, так как запись и чтение данных приводит к износу и уменьшению слоя диэлектрика между плавающим затвором и полупроводниковым каналом транзистора, а, следовательно, к выходу из строя ячейки. Именно этот момент является определяющим для времени безотказной работы памяти. Но, вполне возможно, что инженеры скоро найдут решение, позволяющее сделать следующий шаг в увеличении плотности записи. Тогда появятся еще более объемные твердотельные накопители по низкой цене.
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.