Піонери SSD - швидко, дорого, не для всіх

Строго кажучи, SSD з'явилися задовго до винаходу флеш-пам'яті. Адже що таке, по суті, Solid State Drive? Це накопичувач інформації, який не містить будь-якої точної механіки. Таким чином, найпершим у світі SSD можна назвати творіння корпорації Dataram з гордою назвою Bulk Core, представлене в 1976 році. Сталеве шасі габаритами 19 на 15.75 дюймів містило 8 планок енергозалежною RAM-пам'яті, кожна з яких мала обсяг 256 кілобайт. Девайс розміром з хороший UPS (і, завдяки наявності резервних акумуляторів, відповідним вагою) коштував на старті 9700 доларів США. Пристрої знайшли застосування в промисловості і наукомістких галузях, однак через дорожнечу і ненадійність (все ж ризик втрати даних був надзвичайно великий) так і не стали масовими.

Dataram Bulk Core - найперший SSD

Проте всього через 6 років компанія Axlon спробувала завоювати вже споживчий сегмент, вийшовши на ринок з зовнішнім накопичувачем RAM Disk, розробленим спеціально для випущених в 1982 році персональних комп'ютерів Apple II. Новинка несла на борту 320 кілобайт RAM, мала розміри, порівнянні з сучасними компактними NAS і оснащувалася акумуляторними батареями, які забезпечують 3 години автономної роботи на випадок перебоїв енергопостачання.

Рекламна брошура Axlon RAM Disk закликає «прокачати» ваш Apple II

Про те, наскільки популярним стало таке рішення можна здогадатися, глянувши на ціни: на старті продажів прилад коштував 1400 доларів, при цьому сам Apple II в модифікації з 4 кілобайтами ОЗУ на той момент обійшовся б вам в 1298 доларів. Нехай вбудованої постійної пам'яті даний ПК мав також 4 кілобайти, можливість підключення касетного магнітофона, а згодом і 5.25-дюймових дисководів з лишком компенсували цей недолік. У той же час, непомірний цінник і ризик втрати всієї інформації робили RAM Disk малопривабливим для кінцевого споживача, тим більше що більшості користувачів додаткова швидкість читання / запису виявилася просто не потрібна.

Винахід flash-пам'яті - нова епоха в розвитку SSD

Всі перераховані вище пристрої були нерентабельні внаслідок високої вартості, ненадійні через потребу в постійному джерелі живлення і надмірно громіздкі в силу конструктивних особливостей. Іншими словами, твердотільні накопичувачі минулого виявилися позбавлені всіх переваг сучасних моделей, що і пояснює їх фіаско. Для створення ж дійсно революційного рішення була потрібна принципово нова технологія, яка з'явилася лише в середині 80-х з винаходом флеш-пам'яті.

Напівпровідникові запам'ятовувальні пристрої існували і раніше: перший EPROM був створений Довом Фроманом ще в 1971 році, проте подібні чіпи не годилися на роль навіть знімного накопичувача. Вся справа в тому, що процедура стирання інформації здійснювалася за допомогою прямого опромінення матриці транзисторів ультрафіолетової ртутної лампою, для чого в корпусі навіть присутнє невелике віконце з кварцового скла, яке розташовувалося безпосередньо над чіпом. Більш досконалі EEPROM представляли собою вже електрично прані ПЗУ, однак для реалізації цієї можливості в стандартну клітинку довелося впровадити другий транзистор, керуючий режимами запису і стирання. Через це площа розводки компонентів матриці (а значить, і самого чіпа) помітно збільшувалася, і в результаті доводилося жертвувати компактністю пристроїв.

Тому основні наукові дослідження велися в області створення мікросхем з більш щільним розміщенням ланцюгів стирання. І такі увінчалися успіхом в 1984 році, коли Фудзио Масуока, який працював в корпорації Toshiba, представив прототип незалежної флеш-пам'яті на міжнародній конференції International Electron Devices Meeting, що проходила в стінах Інституту інженерів електротехніки та електроніки (IEEE).

Фудзио Масуока, винахідник флеш-пам'яті

Сама назва придумав його колега, Сьодзі Аріідзумі, який порівняв процес стирання даних зі спалахом блискавки. На відміну від EEPROM, флеш-пам'ять була заснована на МОП-транзисторах з додатковим плаваючим затвором, розташованим між p-шаром і керуючим затвором, що дозволило створювати дійсно мініатюрні чіпи.

Першими комерційними зразками флеш-пам'яті стали мікросхеми Intel, виконані за технологією NOR (Not-Or), виробництво яких було запущено в 1988 році. Матриці даного типу представляли собою двовимірний масив, в якому кожна комірка пам'яті перебувала на перетині рядка і стовпця (відповідні провідники підключалися до різних затворам транзистора, а витік - до загальної підкладці). Однак уже в 1989 році Toshiba представила флеш-пам'ять NAND. Масив мав аналогічну структуру, але в кожному його вузлі замість одного осередку тепер розташовувалося кілька послідовно включених. Крім того, в кожній лінії використовувалося два МОП-транзистора - керуючий, розташований між розрядної лінією і стовпцем осередків, і транзистор заземлення.

Більш висока щільність компонування допомогла збільшити ємність чіпа, але при цьому ускладнився і алгоритм читання / запису, через що постраждала швидкість обміну інформацією. У зв'язку з цим нова архітектура не змогла повністю витіснити NOR, що знайшла застосування в створенні вбудованих ПЗУ, тоді як NAND використовували при виготовленні портативних накопичувачів (USB-флешок, SD-карт). До слова, виробництво останніх стало можливим лише в 2000 році, коли вартість флеш-пам'яті достатньо знизилася і подібні пристрої могли окупитися, а першою «ластівкою» стала модель DiskOneKey від IBM, обсяг якої становив усього 8 мегабайт. Трохи, проте не будемо забувати, що мініатюрний девайс розміром з брелок успішно заміняв собою вісім 3.5-дюймових дискет.

Флешка IBM DiskOneKey

Оскільки випуск флеш-чіпів є технологічно складним і наукомістким процесом, існує лише кілька компаній, що спеціалізуються на їх виробництві, в числі яких слід виділити SanDisk. На її рахунку понад 200 патентів, ліцензії на використання яких згодом придбали такі відомі гравці, як Intel, Hitachi, Samsung і Sony. Серед основних досягнень підприємства варто згадати впровадження стандарту CompactFlash (1994 рік), розробку MultiMedia Card (1997 рік) і створений разом з Toshiba 2000 року формат Secure Digital Memory Card (SD). Тож не дивно, що коли Toshiba взяла курс на ринок США, саме SanDisk був обраний в якості стратегічного партнера для заснування спільного підприємства FlashVision LLC (початок роботу в 2001 році) на базі виробничих потужностей «дочки» японського гіганта Dominion Semiconductor. У жовтні 2015 року SanDisk була придбана Western Digital. Об'єднавши зусилля з одним з родоначальників технології флеш і отримавши доступ до всіх ключових напрацювань та інновацій, сьогодні ми маємо можливість створювати по-справжньому сучасні, конкурентоспроможні і надійні рішення споживчого класу.

Флеш-SSD для всіх і кожного

Втім, повернемося до предмету обговорення - SSD. Предок сучасних твердотільних накопичувачів на основі флеш-пам'яті був випущений компанією Digipro ще в 1988 році: він ніс на борту 16 мегабайт і коштував 5000 доларів. Роком пізніше M-Systems представила концепт пристрою, вже більш-менш нагадує сучасні. Воно мало формат 3.5 дюйма і могло вміщати від 16 до 896 мегабайт інформації. Серійна модель вийшла лише в 1995 році і носила назву FFD-350 (Fast Flash Disk). Через високу ціну, що досягає декількох десятків тисяч доларів, вона знайшла застосування в таких галузях, як ВПК і авіаційна промисловість, для роздробу рекордсмен за швидкістю та обсягом виявився непридатний.

Digipro Flashdisk - перший SSD на основі NAND

Першопрохідцем споживчого сегмента можна назвати випущений в 2003 році Transcend IDE Flash Module, підключається через 44-піновий інтерфейс Parallel ATA і мав обсяг 128 або 512 мегабайт. Продукт позиціонувався, як швидкий і відмовостійкий накопичувач для роботи в екстремальних умовах. Низькопрофільний модуль височів над роз'ємом всього на 2 сантиметри, завдяки чому міг підключатися безпосередньо, без використання шлейфу.

Transcend IDE Flash Module відкриває роздрібний ринок SSD

А перший SATA SSD з'явився всього через рік: Adtron Corporation представила 2.5-дюймовий накопичувач Flashpack, проте його ринкова вартість, в залежності від модифікації, досягала 11 200 доларів. Зламати ситуацію з точки зору цінової політики вдалося Samsung, яка запропонувала покупцям пристрій з нехитрою назвою Flash SSD об'ємом 32 гігабайти «всього» за 700 доларів! І нехай його все ще складно було назвати по-справжньому масовим, ентузіастам, готовим розщедритися за приріст продуктивності топового ПК, такий варіант припав до смаку.

Adtron Flashpack - прообраз сучасних SSD

Зниження вартості і підвищення привабливості SSD для рядового споживача багато в чому стало можливим завдяки появі многобітових осередків пам'яті. Спочатку архітектура флеш-матриць передбачала можливість запису в кожну клітинку лише одного біта інформації, тобто плаваючий затвор міг зберігати лише два рівня заряду (такий тип пам'яті отримав назву SLC - Single-Level Cell). Наступним кроком стало створення MLC (Multi-Level Cell), здатної зберігати по 2 біти (чотири рівні заряду) на кожну клітинку. Ще більш місткою і дешевої у виробництві виявилася 8-рівнева (3 біта) флеш-пам'ять TLC (triple-level cell), також звана 3bit MLC - станом на 2015 рік її собівартість впала до 40 центів на гігабайт.

Подібно NOR і NAND, кожен із перелічених рішень зайняло власну нішу. Адже якщо SLC забезпечує максимальну швидкість доступу до збереженої інформації і є надзвичайно відмовостійкої, то TLC характеризують бюджетность і більш висока щільність зберігання й. У мінуси останньої можна записати значно менший робочий ресурс. Як наслідок, SLC набула поширення в корпоративному сегменті, TLC стала безумовним монополістом в роздробі, а продукція на основі MLC орієнтована, в першу чергу, на тих, хто цінує надійність і при цьому хоче вичавити все можливе зі своєї машини.

Подальший розвиток SSD здійснювалося вже за рахунок вдосконалення інтерфейсів мікросхем. На момент, коли постало питання про введення єдиних стандартів, консорціум технологічних компаній, куди увійшли Intel, Sony, SanDisk, Micron Technology, Numonyx, Phison Electronics Corporation, SK Hynix, Spansion і STMicroelectronics розробив специфікацію Open NAND Flash Interface (ONFI), перша версія якого була представлена ​​навесні 2006 року. Пропускна здатність ONFI 1.0 становила всього 50 МБ / с і була не в змозі розкрити весь потенціал навіть SATA II - тільки його 4-я ревізія, випущена в 2014 році, змогла переступити планку, задану SATA III, продемонструвавши швидкість передачі даних в 800 МБ / з і забезпечивши помітний приріст продуктивності.

Не менш важливу роль зіграло вдосконалення алгоритмів читання / запису і кешування. Наприклад, створюючи накопичувачі WD Blue SSD, ми зосередилися на підвищенні продуктивності шляхом впровадження технології nCache 2.0, що використовує частину доступної пам'яті в SLC-режимі і форсує довільне читання в реальних сценаріях навантаження.

WD Blue SSD 1 ТБ - флагман лінійки першого покоління твердотільних накопичувачів від Western Digital

Пряме копіювання даних з SLC-буфера в TLC, реалізоване на рівні чіпів в обхід контролера, дозволило використовувати більш економічну чотирьохканальну модель Marvell 88SS1074 без втрат в продуктивності. До речі, остання підтримує корекцію помилок на основі LDPC-кодів, завдяки чому WD Blue SSD здатний похвалитися ресурсом перезапису до 400 TBW, що більш ніж на 50% вище в порівнянні з іншими рішеннями в даній ціновій категорії. Таким чином, запровадивши перераховані інновації, нам вдалося створити по-справжньому конкурентний продукт на основі TLC-пам'яті, що поєднує в собі високу швидкість і надійність при порівняно низькій ціні.

Хоча все перераховане дозволило поліпшити швидкодію і відмовостійкість накопичувачів, потенціал двовимірної NAND виявився обмежений. Коли можливості 15-нанометрового технологічного процесу були практично вичерпані, а подальше вдосконалення програмної частини перестало забезпечувати скільки-небудь помітного приросту ключових показників, на зміну планарним мікросхем прийшла флеш-пам'ять 3D NAND. Її архітектура характеризується вертикальним: провідні і ізолюючі шари напилюється на кристал пошарово. В отриманій «слойке» формуються канали, на стінки яких наносяться структури ізоляторів і плаваючих затворів - в результаті ми отримуємо стовпчики кільцеподібних польових транзисторів. Такий підхід дозволяє в значній мірі збільшити щільність чіпів, а значить, підвищити і ємність пам'яті.

Схема будови 3D NAND

Само по собі винахід не можна назвати ноу-хау - наприклад, Samsung випускає тривимірні чіпи ще з 2013 року. Але, як відомо, історія рухається по спіралі: подібно до того, як флешки з'явилися через десяток років після створення NAND через дорожнечу останньої, перші 3D-чіпи виявилися також дуже дорогі, а значить, непридатні для споживчого ринку. Саме тому основні зусилля альянсу Toshiba і SanDisk, вже що був на той момент підрозділом Western Digital, були спрямовані на розробку принципово іншого підходу, який дозволив би оптимізувати виробництво, зробивши чіпи більш доступними.

Вишукування увінчалися успіхом - результатом кропіткої роботи інженерів стала поява BiCS (Bit Cost Scalable) 3D NAND. У порівнянні з рішенням від Samsung, які підтримують лише 48 шарів в кожному чіпі, технологія BiCS дозволяє збільшити щільність упаковки в 1.4 рази і підвищити кількість шарів до 64. Зміни зазнала і архітектура: місце лінійних рядків зайняли U-образні. Головна їхня особливість полягає в тому, що лінії витоку разом з переключающими транзисторами розташовані у верхній частині кристала, що практично повністю виключає появу помилок при операціях читання / запису внаслідок високотемпературного впливу.

Архітектура BiCS

Що ж це означає на практиці? Оскільки BiCS 3D NAND створюється по 40-нм техпроцесу, причому потреба в застосуванні фотолітографії в глибокому ультрафіолеті повністю відсутня, відпадає і необхідність модернізації існуючих виробничих потужностей. З урахуванням більшої щільності зберігання даних, собівартість виробництва в порівнянні з планарнимі мікросхемами практично не змінюється, дозволяючи створювати накопичувачі підвищеної ємності. Крім того, новий дизайн підвищує енергоефективність чіпів на 25% і збільшує їх надійність за рахунок виключення вірогідності термічного пошкодження.

Та все це зробило можливим створення твердотільних накопичувачів WD SSD Blue наступного покоління, в основу яких лягли 64-шарові чіпи. У порівнянні з попередниками, диски відрізняються високою швидкодією (швидкість читання досягає 560 МБ / с, запису - 540 МБ / с), часом напрацювання на відмову до 1.75 мільйонів годин і ресурсом перезапису аж до 500 TBW. Іншими словами, навіть при навантаженні до 80 гігабайт в день накопичувачі справно пропрацюють протягом 7 років, що є абсолютним рекордом в середній ціновій категорії. Крім того, завдяки збільшенню щільності запису, оновлена ​​лінійка поповнилася двотерабайтний флагманом - вражаючий обсяг і чудові характеристики роблять цю модель ідеальним рішенням для професіоналів та ентузіастів.

Замість висновку

Вже зараз можна стверджувати, що здешевлення 3D NAND зробить її використання повсюдним. Подальша гонка озброєнь зміститься у бік збільшення щільності тривимірних кристалів і розробки оригінальних архітектурних рішень, що дозволить створювати по-справжньому доступні і економічні продукти. Цілком можливо, що в таких сегментах, як виробництво лептопів, класичні HDD виявляться повністю витіснені з ринку твердотільними накопичувачами. Тенденція простежується вже зараз: згідно з прогнозами DRAMeXchange (підрозділ аналітичного агентства TrendForce), вже в цьому році частка ноутбуків, забезпечених виключно SSD, перевищить 56% від всіх проданих пристроїв, а в подальшому ця цифра буде лише збільшуватися.