В октябре 2016 года мы представили две линейки 2,5-дюймовых твердотельных накопителей: WD Blue и Green SSD. В любой другой отрасли такой шаг может показаться весьма рискованным, даже для такой корпорации, как Western Digital. Действительно, продвижение нового продукта в нише, где сферы влияния давно определены, в большинстве случаев оборачивается большими финансовыми затратами и редко приводит к положительному результату.
Однако рынок SSD имеет свою специфику, открывающую огромные возможности для конкуренции, что обусловлено как технологическими особенностями, так и рядом исторических предпосылок.
Именно об истории твердотельных накопителей мы и поговорим сегодня.
Пионеры SSD — быстро, дорого, не для всех
Строго говоря, SSD появились задолго до изобретения флэш-памяти.В конце концов, что такое твердотельный накопитель? Это устройство хранения информации, не содержащее никаких механических компонентов.
Таким образом, самым первым SSD в мире можно назвать творением корпорации Dataram с гордым названием Bulk Core, представленным в 1976 году.
Стальное шасси размерами 19 на 15,75 дюймов содержало 8 планок энергозависимой оперативной памяти, каждая из которых имела емкостью 256 килобайт. Устройство размером с хороший ИБП (и, благодаря наличию резервных батарей, соответствующий вес) на момент запуска стоило 9700 долларов.
Устройства нашли применение в промышленности и наукоемких отраслях, но из-за высокой стоимости и ненадежности (риск потери данных был чрезвычайно высок) так и не получили широкого распространения.
Dataram Bulk Core — самый первый SSD
Однако всего через 6 лет компания Axlon предприняла попытку завоевать потребительский сегмент, выйдя на рынок с внешним накопителем RAM Disk, разработанным специально для персональных компьютеров Apple II, выпущенных в 1982 году.
Новинка несла на борту 320 килобайт оперативной памяти, имел размеры, сравнимые с современными компактными NAS, и был оснащен аккумуляторными батареями, обеспечивающими 3 часа автономной работы в случае отключения электроэнергии.
Брошюра Axlon RAM Disk предлагает вам обновить свой Apple II.
Насколько популярным стало это решение, можно догадаться, посмотрев на цены: на старте продаж устройство стоило $1400, тогда как сам Apple II, доработанный с 4 килобайтами оперативной памяти, на тот момент обошелся бы вам в $1298. Хоть этот ПК и имел 4 килобайта встроенной постоянной памяти, возможность подключения кассетного магнитофона, а впоследствии и 5,25-дюймовых накопителей с лихвой компенсировала этот недостаток.
В то же время непомерная цена и риск потери всей информации сделали RAM Disk непривлекательным для конечного потребителя, тем более что большинству пользователей дополнительная скорость чтения/записи просто не нужна.
Изобретение флэш-памяти — новая эра в развитии SSD
Все вышеперечисленные устройства были нерентабельны из-за высокой стоимости, ненадежны из-за необходимости постоянного источника питания и неоправданно громоздки из-за особенностей конструкции.Иными словами, твердотельные накопители прошлого были лишены всех преимуществ современных моделей, что и объясняет их фиаско.
Для создания поистине революционного решения потребовалась принципиально новая технология, которая появилась лишь в середине 80-х годов с изобретением флэш-памяти.
Полупроводниковые запоминающие устройства существовали и раньше: первое СППЗУ было создано Довом Фроманом еще в 1971 году, но такие микросхемы не годились даже на роль съемного накопителя.
Все дело в том, что процедура стирания информации осуществлялась путем прямого облучения матрицы транзистора ультрафиолетовой ртутной лампой, для чего в корпусе имелось даже небольшое окошко из кварцевого стекла, расположенное непосредственно над чипом.
Более совершенные EEPROM представляли собой электрически стираемые ПЗУ, но для реализации этой функции в стандартную ячейку нужно было установить второй транзистор для управления режимами записи и стирания.
Из-за этого площадь размещения компонентов матрицы (а значит, и самого чипа) заметно увеличилась, и в результате компактностью устройств пришлось пожертвовать.
Поэтому основные научные исследования проводились в области создания микросхем с более плотным размещением схем стирания.
И увенчались успехом в 1984 году, когда Фудзио Масуока, работавший в корпорации Toshiba, представил прототип энергонезависимой флэш-памяти на Международной конференции электронных устройств, проходившей в стенах Института инженеров электротехники и электроники (IEEE).
.
Фудзио Масуока, изобретатель флэш-памяти
Само название придумал его коллега Сёдзи Ариизуми, который сравнил процесс стирания данных со вспышкой молнии.
В отличие от EEPROM, флэш-память была основана на МОП-транзисторах с дополнительным плавающим затвором, расположенным между p-слоем и управляющим затвором, что позволяло создавать по-настоящему миниатюрные микросхемы.
Первыми коммерческими образцами флэш-памяти стали чипы Intel, изготовленные по технологии NOR (Not-Or), производство которых было начато в 1988 году.
Матрицы этого типа представляли собой двумерный массив, в котором каждая ячейка памяти располагалась на пересечении ряд и столбец (соответствующие проводники подключались к разным затворам транзистора, а исток - к общей подложке).
Однако уже в 1989 году Toshiba представила флэш-память NAND. Массив имел аналогичную структуру, но в каждом его узле вместо одной ячейки теперь было несколько последовательно соединенных.
Кроме того, в каждой линии использовались по два МОП-транзистора — управляющий транзистор, расположенный между разрядной линией и столбцом ячеек, и заземляющий транзистор.
Более высокая плотность упаковки позволила увеличить емкость чипа, но при этом алгоритм чтения/записи стал более сложным, из-за чего пострадала скорость обмена информацией.
В связи с этим новая архитектура не смогла полностью заменить NOR, нашедшую применение при создании встроенных ПЗУ, тогда как NAND использовалась при изготовлении портативных накопителей (флешек, SD-карт).
Кстати, производство последней стало возможным только в 2000 году, когда стоимость флэш-памяти достаточно упала и такие устройства смогли себя окупить, а первой «ласточкой» стала модель DiskOnKey от IBM, объем которой составлял всего 8 мегабайт. Немного, но не будем забывать, что миниатюрное устройство размером с брелок с успехом заменило восемь 3,5-дюймовых дискет. 
Флешка IBM DiskOnKey
Поскольку производство флэш-чипов — технологически сложный и наукоемкий процесс, на их производстве специализируются всего несколько компаний, в том числе SanDisk. Имеет более 200 патентов, лицензию на использование которых впоследствии получили такие известные игроки, как Intel, Hitachi, Samsung и Sony. Среди основных достижений компании стоит отметить внедрение стандарта CompactFlash (1994 г.
), разработку MultiMedia Card (1997 г.
) и формата Secure Digital Memory Card (SD), созданного совместно с Toshiba в 2000 г.
Удивительно, но когда Toshiba нацелилась на рынок США, именно SanDisk была выбрана стратегическим партнером для создания совместного предприятия FlashVision LLC (начало деятельности в 2001 году) на базе производственных мощностей дочерней компании японского гиганта Dominion Semiconductor. В октябре 2015 года SanDisk была приобретена Western Digital. Объединив усилия с одним из пионеров флеш-технологий и получив доступ ко всем ключевым разработкам и инновациям, сегодня мы имеем возможность создавать по-настоящему современные, конкурентоспособные и надежные решения потребительского класса.
Флэш-SSD для всех
Однако вернемся к предмету обсуждения — SSD. Прародитель современных твердотельных накопителей на базе флэш-памяти был выпущен компанией Digipro еще в 1988 году: он имел на борту 16 мегабайт и стоил 5000 долларов.Год спустя компания M-Systems представила концепт устройства, более-менее напоминающего современные.
Он имел формат 3,5 дюйма и мог вмещать от 16 до 896 мегабайт информации.
Серийная модель была выпущена только в 1995 году и называлась FFD-350 (Fast Flash Disk).
Благодаря высокой цене, достигающей нескольких десятков тысяч долларов, он нашел применение в таких отраслях, как военно-промышленный комплекс и авиационная промышленность; Рекордсмен по скорости и объему оказался непригоден для розничной торговли.
Digipro Flashdisk — первый твердотельный накопитель на базе NAND
Первопроходцем в потребительском сегменте можно назвать выпущенный в 2003 году Transcend IDE Flash Module, который подключался через 44-контактный интерфейс Parallel ATA и имел емкость 128 или 512 мегабайт. Продукт позиционировался как быстрый и отказоустойчивый накопитель для работы в экстремальных условиях.
Низкопрофильный модуль возвышался над разъемом всего на 2 сантиметра, поэтому его можно было подключить напрямую, без использования кабеля.
Transcend IDE Flash Module открывает розничный рынок твердотельных накопителей
А первый SATA SSD появился всего через год: корпорация Adtron представила 2,5-дюймовый накопитель Flashpack, но его рыночная цена, в зависимости от модификации, достигала $11 200. Компании Samsung удалось переломить ситуацию в плане ценовой политики, предложив покупателям устройство с простым названием Flash SSD емкостью 32 гигабайта «всего» за 700 долларов! И хотя по-настоящему серийным его пока назвать было сложно, этот вариант пришелся по душе энтузиастам, готовым выложить деньги за повышение производительности топового ПК.
Adtron Flashpack — прототип современных SSD
Снижение стоимости и повышение привлекательности SSD для рядового потребителя во многом стало возможным благодаря появлению многобитных ячеек памяти.
Изначально архитектура флеш-матриц предполагала возможность записи в каждую ячейку только одного бита информации, то есть плавающий затвор мог хранить только два уровня заряда (такой тип памяти назывался SLC — Single-Level Cell).
Следующим шагом стало создание MLC (Multi-Level Cell), способного хранить 2 бита (четыре уровня заряда) на ячейку.
8-уровневая (3-битная) флэш-память TLC (трехуровневая ячейка), также называемая 3-битной MLC, оказалась еще более емкой и дешевой в производстве — по состоянию на 2015 год ее стоимость упала до 40 центов за гигабайт. Подобно NOR и NAND, каждое из этих решений заняло свою нишу.
Ведь если SLC обеспечивает максимальную скорость доступа к хранимой информации и отличается исключительной отказоустойчивостью, то TLC отличается дешевизной и более высокой плотностью хранения.
К недостаткам последнего можно отнести существенно меньший рабочий ресурс.
В результате SLC получила широкое распространение в корпоративном сегменте, TLC стала безоговорочным монополистом в ритейле, а продукция на базе MLC ориентирована в первую очередь на тех, кто ценит надежность и в то же время хочет получить от своего автомобиля максимум удовольствия.
Дальнейшее развитие SSD велось за счет совершенствования интерфейсов чипов.
В то время, когда встал вопрос о внедрении единых стандартов, консорциум технологических компаний, в который входили Intel, Sony, SanDisk, Micron Technology, Numonyx, Phison Electronics Corporation, SK Hynix, Spansion и STMicroelectronics, разработал Open NAND Flash Interface (ONFI).
) спецификация, первая версия которой была представлена весной 2006 года.
Пропускная способность ONFI 1.0 составляла всего 50 МБ/с и не смогла раскрыть весь потенциал даже SATA II – смогла только его 4-я ревизия, вышедшая в 2014 году.
перешагнуть планку, установленную SATA III, продемонстрировав скорость передачи данных 800 МБ/с.
и обеспечивающий заметный прирост производительности.
Не менее важную роль сыграло совершенствование алгоритмов чтения/записи и кэширования.
Например, при создании твердотельных накопителей WD Blue мы сосредоточились на повышении производительности за счет внедрения технологии nCache 2.0, которая использует часть доступной памяти в режиме SLC и принудительно выполняет случайное чтение в сценариях реальных рабочих нагрузок.
WD Blue SSD 1 ТБ — флагман твердотельных накопителей первого поколения от Western Digital
Прямое копирование данных из SLC-буфера в TLC, реализованное на уровне чипа, минуя контроллер, позволило без потери производительности использовать более экономичную четырехканальную модель Marvell 88SS1074. Кстати, последний поддерживает коррекцию ошибок на основе кодов LDPC, благодаря чему SSD WD Blue может похвастаться ресурсом перезаписи до 400 ТБВ, что более чем на 50% выше, чем у других решений в этой ценовой категории.
Таким образом, внедрив вышеперечисленные инновации, нам удалось создать по-настоящему конкурентоспособный продукт на базе TLC-памяти, сочетающий в себе высокую скорость и надежность при относительно невысокой цене.
Хотя все вышеперечисленное позволило улучшить производительность и отказоустойчивость накопителей, потенциал двумерной NAND оказался ограниченным.
Когда возможности 15-нанометрового технологического процесса были практически исчерпаны, а дальнейшее совершенствование программной части перестало давать сколько-нибудь заметный прирост ключевых показателей, на смену планарным чипам пришла флэш-память 3D NAND. Его архитектура характеризуется вертикальной компоновкой: на кристалл слой за слоем наносятся проводящие и изолирующие слои.
В образовавшейся «затяжке» образуются каналы, на стенках которых нанесены конструкции из изоляторов и плавающих затворов – в результате мы получаем столбцы из полевых транзисторов кольцевой формы.
Такой подход позволяет существенно увеличить плотность чипов, а значит, и увеличить объём памяти.
Структурная схема 3D NAND
Само изобретение нельзя назвать ноу-хау — например, компания Samsung производит 3D-чипы с 2013 года.
Но, как известно, история движется по спирали: точно так же, как флэш-накопители появились спустя десять лет после создания NAND из-за высокой Стоимость последних, первые 3D-чипы также оказались слишком дорогими, а потому непригодными для потребительского рынка.
Именно поэтому основные усилия альянса Toshiba и SanDisk, который на тот момент уже был подразделением Western Digital, были направлены на разработку принципиально иного подхода, который бы оптимизировал производство, сделав чипы более доступными.
Исследования увенчались успехом — результатом кропотливой работы инженеров стало появление BiCS (Bit Cost Scalable) 3D NAND. По сравнению с решением Samsung, поддерживающим всего 48 слоев в каждом чипе, технология BiCS позволяет увеличить плотность упаковки в 1,4 раза и увеличить количество слоев до 64. Изменения претерпела и архитектура: U-образные приняли место линейных линий.
Их главная особенность состоит в том, что истоковые линии вместе с переключающими транзисторами расположены в верхней части кристалла, что практически полностью исключает возникновение ошибок при операциях чтения/записи из-за воздействия высоких температур.
Архитектура BiCS
Что это значит на практике? Поскольку BiCS 3D NAND создается по 40-нм техпроцессу и нет необходимости в фотолитографии в глубоком ультрафиолете, нет необходимости модернизировать существующие производственные мощности.
Учитывая более высокую плотность хранения данных, себестоимость производства остается практически неизменной по сравнению с планарными чипами, что позволяет создавать накопители большой емкости.
Кроме того, новая конструкция повышает энергоэффективность чипов на 25% и повышает их надежность за счет исключения возможности термического повреждения.
Все вышеперечисленное позволило создать следующее поколение твердотельных накопителей WD SSD Blue, в основе которых лежат 64-слойные чипы.
По сравнению со своими предшественниками накопители характеризуются высокой производительностью (скорость чтения достигает 560 МБ/с, скорость записи — 540 МБ/с), наработкой на отказ до 1,75 млн часов и ресурсом перезаписи до 500 ТБВ.
Другими словами, даже при нагрузке до 80 гигабайт в день накопители будут исправно работать 7 лет, что является абсолютным рекордом в средней ценовой категории.
Кроме того, благодаря увеличению плотности записи обновленная линейка пополнилась двухтерабайтным флагманом — впечатляющая емкость и отличные характеристики делают эту модель идеальным решением для профессионалов и энтузиастов.
Вместо заключения
Уже можно утверждать, что более дешевая 3D NAND сделает ее использование более распространенным.Будущая гонка вооружений сместится в сторону увеличения плотности 3D-кристаллов и разработки оригинальных архитектурных решений, которые позволят создавать действительно доступные и экономически эффективные продукты.
Вполне возможно, что в таких сегментах, как производство ноутбуков, классические HDD будут полностью вытеснены с рынка твердотельными накопителями.
Тенденция видна уже сейчас: по прогнозам DRAMeXchange (подразделение аналитического агентства TrendForce), уже в этом году доля ноутбуков, оснащенных исключительно твердотельными накопителями, превысит 56% всех проданных устройств, а в будущем эта цифра будет только увеличиваться.
.
Однако перспективы развития отрасли — тема отдельного материала, который мы обязательно подготовим для читателей Хабра.
Следите за обновлениями блога! Автор: Наталья Хлудова Теги: #ssd #Хранение данных #Высокая производительность #Western Digital #флэш-память #WD #твердотельный накопитель #WD Blue #WD Blue #WD Green
-
Seo И Веб-Разработка
19 Oct, 24 -
Finereader Online — Бета 3
19 Oct, 24
