Пк-дайджест

Память MLC NAND: 2.х

Буква “x” обобщает различные этапы второй версии спецификаций ONFi. В 2012 году большинство накопителей снабжалось памятью MLC, изготовленной в рамках технологического процесса 25nm по спецификациям ONFi 2.1.

Впрочем, в конце года на рынке появился накопитель Intel 335 с памятью Intel 20nm MLC NAND, что соответствовало уже спецификациям ONFi 2.3. Переход на новый технологический процесс не приносит дивидендов в быстродействии, поскольку пропускная способность интерфейса все так же ограничена 200MB/s.

В спецификации ONFi 2.3 заложена поддержка протокола EZ-NAND, призванного улучшить коррекцию ошибок (ECC), уровень которых растет по мере уменьшения размера ячеек памяти. Однако для этого в NAND должен быть встроен отдельный контроллер. В Intel 335 он отсутствует, поэтому данную модель можно считать «переходной».

Более того, меньший размер ячеек памяти 20nm породил сомнения в выносливости NAND, произведенной по этой технологии!

Intel оценивает ее идентично 25nm NAND — в 3 000 циклов перезаписи. Однако гарантийный срок составляет лишь 3 года, в отличие от 5-летней гарантии на Intel 520 при тех же объемах записи в 20GB в день.

Так или иначе, поскольку Intel и Micron переходят на 20nm процесс, логично ожидать в 2013 году появления накопителей с такой памятью под различными брендами.

Что лучше: TLC или MLC. Какой SSD лучше

Всего есть 4 вида чипов:

• MLC;
• TLC;
• QLC;

Последний тип является профессиональным, а нам нужно простое решение для домашнего пользования, поэтому мы его трогать не будем. QLC появился на рынке только в этом году и относится к бюджетному сегменту, но у него слишком низкая скорость работы, поэтому о нем мы говорить сегодня тоже не будем.

MLC

Multi Level Sell (многоуровневая ячейка), – 2-уровневый тип памяти, в котором в одной ячейке хранится до двух бит данных. Для того чтобы можно было хранить 2 бита в одной ячейки, пришлось ввести 4-пороговое напряжение, где каждый уровень соответствует определенному количеству битов.

Благодаря четырем ступеням напряжения удалось снизить цену твердотельных накопителей, при этом увеличив количество перезаписей. Из-за увеличения количества порогов данные чипы стали зависимы от качества микросхем, их жизненного ресурса. Ресурс снизился до 10000 циклов. Есть версия eMLC, у которой количество P\E равно 20000-30000. Она предназначена для серверного использования.

Также увеличилось время чтения и записи. Однако это позволило снизить конечную стоимость продукта.

Преимущества:

• относительно небольшая стоимость;
• надежнее TLC.

Недостатки:

• не такая надежная и долговечная, как SLC, eMLC;
• не подходит для использования в промышленности и предпринимательстве.

TLC

Three Level Cell (трехуровневая ячейка), – флэш-память, у которой в каждой ячейки может хранится 3 бита информации, являющаяся продолжением (подвидом) MLC. Рассчитана на 1-3 тысячи циклов перезаписей на 1 ячейку, поэтому не рекомендуется для использования в предпринимательских или промышленных целях.

Удешевление стоимости производства объясняется введением 8-уровнего напряжения. Надежность хранения информации стала еще больше зависеть от качества микросхем, их долговечности и изменения ступеней напряжения в затворе, возникающего из-за физических процессов в кристаллической решетке. Кроме того, производителям пришлось точнее определять уровень напряжения в транзисторе, чтобы данные из ячеек считывались верно.

Преимущества:

• цена;
• подойдет большинству пользователей.

Недостатки:

• не подходит для использования в коммерческих целях;
• жизненный ресурс ячейки меньше, чем у других типов памяти.

Основные отличия

Плотность записи информации у TLC выше, чем у MLC. С точки зрения скорости записи, чтения предпочтительнее вторая версия. Однако по стоимости за 1 GB выигрывает TLC, так как здесь используется удешевленная технология изготовления.

Сохранность информации

Для хранения важных данных лучше использовать память MLC, в остальных же случаях (для хранения музыки, игр, фильмов, сериалов и т. д.) – отлично подойдет TLC.

SSD-накопитель рекомендуется использовать исключительно для хранения часто используемых программ и игр, чтобы лишний раз не занимать память.

Жизненный цикл

Как уже говорилось выше, TLC имеет ресурс, равный 1 тысяче полных перезаписей, или 6 годам использования. Что касается MLC, то у этого типа памяти жизненный цикл составляет 3000, или 8 годам службы.

Подробнее о технологии NAND-памяти

Все три типа памяти относятся к одной технологии NAND. Отличие же состоит в том, что каждый из них имеет разное количество зарядов. Принцип работы у всех типов одинаковый, когда возникает напряжение, ячейка меняет свое состояние из «Выключено» на состояние «Включено». В типе TLC задействовано восемь значений напряжения для представления восьми состояний логических значений (111, 110, 101, 100, 011, 010, 001, 000) или информации, состоящей из 3 битов. SLC тип использует 2 состояния для представления двух логических значений (0 и 1). Для типа MLC выделено 4 значения, чтобы представить логические состояния (11, 10, 01, 00).

SLC используется лишь 2 значения напряжения, они могут выражать больше точных значений, при этом уменьшая возможность неправильной интерпретации состояния текущей ячейки и позволяет применять стандартные методы коррекции ошибок NAND. При использовании TLC вероятность ошибок при чтении увеличивается, поэтому этот тип памяти требует большего пространства ECC (код коррекции ошибок), потому как в TLC нужно сразу 3 бита корректировать, вместо 2 в MLC и 1 в SLC.

Эти типы памяти можно встретить при выборе дисков. Если вы их встретили на рынке, знайте, что это значит размещение ячеек флеш-памяти на чипах в несколько слоев (в обычных MLC или TLC они расположены в один слой). TLC с пометкой 3D NAND на сегодняшний день эффективнее и надежнее, чем его «плоский аналог». Например, компания Samsung заявила о том, что их продукт с V-NAND памятью обладают более высокими характеристиками производительности, чем planar MLC.

Долговечность SSD

Как и все хорошие вещи в этом мире, SSD не может существовать вечно. Как было отмечено выше, жизненный цикл твердотельного накопителя напрямую зависит от того, какую он использует 3D NAND-память. Многих пользователей волнует вопрос, как долго могут функционировать более дешевые виды накопителей. По сравнению с MLC и TLC, память SLC более долговечная, но стоит дороже. Независимые команды энтузиастов провели испытания доступных SSD потребительского класса, большинство из которых составили MLC, а 3D NAND TLC использовался только 1. Результаты оказались многообещающими. Перед выходом из строя, большинство этих устройств успели пропустить через себя 700 Тбайт информации, а 2 из них — даже 1 Пбайт. Это поистине огромное количество данных.

Можно смело отметать любые опасения по поводу того, что SSD выйдет из строя в короткие сроки. Если вы используете MLC или TLC 3D V-NAND для такого повседневного использования, как хранение музыки, фотографий, программного обеспечения, личных документов и видеоигр, то можете быть уверены, что памяти хватит на несколько лет. В домашних условиях невозможно нагрузить компьютер так, как это делают с корпоративными серверами. Тем, кто беспокоится о продолжительности жизни своей памяти, могут пригодиться функции вроде Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.), которые помогают отслеживать состояние SSD.

Что такое SLC

В противостоянии SLC vs MLC или TLC 3D всегда побеждает первый тип памяти, но он и стоит значительно дороже. Он также располагает большим объемом памяти, но работает медленнее и больше склонен к поломкам. MLC и TLC — это типы памяти, которые рекомендуется применять для обычного повседневного использования компьютера. NOR обычно используется в мобильных телефонах и планшетах. Осознание своих собственных потребностей поможет пользователю выбрать наиболее подходящий из всех SSD-дисков.

Эта разновидность памяти хорошо прижилась на рынке, благодаря высокой продолжительности жизни, точности и общей производительности. Такой накопитель редко устанавливается в домашних компьютерах из-за большой стоимости и малого объема памяти. Он больше подходит для промышленного использования и больших нагрузок, связанных с непрерывным чтением и записью информации.

Достоинства SLC:

• долгий срок службы и большее количество циклов зарядки по сравнению с любым другим типом флеш-памяти;
• меньшее количество ошибок чтения и записи;
• может работать в более широком диапазоне температур.

Проблема параллелизма операции чтения/записи

Увеличение емкости, несомненно, благо, т. к. в небольшом форм-факторе (в том же M.2) можно получить накопители объемом в несколько терабайт. Вот только возникла одна проблема: при высокой емкости чипов становится сложным распараллелить операции чтения/записи. В первую очередь это касается накопителей небольшого объема.

Это хорошо характеризует такой печально известный своей низкой производительностью накопитель Intel 600p. Дело в том, что в нем используются чипы памяти емкостью 384 Гб (48 ГБ) производства Micron, и для того, чтобы получить емкость накопителя в 128 ГБ, надо всего 3 такие микросхемы. Для 256-гигабайтного накопителя используются 6 микросхем и т. д.

Казалось бы, меньше микросхем – больше места для их размещения. Это так, но большинство контроллеров, особенно в сегменте производительных моделей, имеют 4 или 8 каналов, обеспечивающих параллельный доступ к памяти. Если микросхем памяти 3 (6, 9…), то как задействовать все доступные каналы? В том то и дело, что никак. Вместо использования всех 8-ми (или 4-х) каналов приходится ограничиваться использованием только шести (3-х). Получается, что контроллер работает не на полную мощь, отсюда – падение производительности.

В общем, вырисовывается некоторая проблема именно с накопителями низкой емкости. Возможно, стоимость их будет невелика, но и скоростные показатели будут там же. Получается, что если хочется скорости, то пожалуйте приобретать более емкие накопители. А стоимость?

Какой же тип памяти выбрать для своего компьютера?

Если говорить о использовании диска в повседневных задачах, то можно вариант с SLC исключить вовсе. Причина проста – ее высокая цена. Неплохим вариантом будет выбор TLC NAND типа памяти для вашего SSD, ее цена и общая эффективность вполне приемлема для рядового пользователя. Этот выбор для тех, кто не гонится за максимальной скоростью в работе компьютера и для кого не так уж и важен результат ускорения компьютера на 5 %. Да, они чуть медленнее, чем MLC, но все же они работают в несколько раз быстрее обычных жестких дисков, а цена может быть значительно ниже, чем у сородича. MLC память более «продвинута» и подойдет для любителей последних «игрушек», которым необходима максимальная скорость обмена информацией и большего комфорта в работе с компьютером, а также для тех, кто собирается долгое время хранить важные данные.

Для более ясного представления о типах SSD, что лучше купить MLC или TLC, посмотрите видео по теме:

Как работает флэш-память

NAND хранит данные в массиве ячеек памяти, представляющих собой транзисторы с плавающим затвором. На картинке вы видите два затвора: управляющий (Control Gate) и плавающий (Floating Gate). Электроны перемещаются между управляющим затвором и каналом NAND (Channel) в направлении подачи напряжения.

Упрощенная схема работы флэш-памяти

Для программирования ячейки напряжение подается на управляющий затвор, что притягивает электроны вверх. Создается электрическое поле, позволяющее электронам проникнуть сквозь барьер из оксида к плавающему затвору. Оксид выполняет роль изолятора, не позволяя электронам двигаться дальше сквозь плавающий затвор.

Для стирания ячейки напряжение подается с другой стороны – на канал. При этом управляющий затвор заземляется, чтобы направить электроны от плавающего затвора через оксид обратно к каналу.

Чтобы определить статус ячейки, на нее подают напряжение и смотрят на результат. И продолжают повышать напряжение, пока не добьются нужного, на что уходит время, которое влияет на скорость работы.

Почему алгоритмов расчета ECC так много.

На данный момент самые распространённые коды исправляющие ошибки это:

• Код Хэминга (Hamming Code)  или просто ЕСС.
  Позволяет исправлять одиночную ошибку и находить двойную. Исторически самый первый подобный код. Для современных NAND  сейчас применяется редко из-за низких кодовых характеристик – исправление всего одной ошибки сейчас явно недостаточно.
  Теорию подробнее читайте здесь.
• Код Рида-Соломона (Reed-Solomon Сode).
  Позволяет исправить N (любое количество ошибок), но для исправления N ошибок потребуется 2*N слов. Т.е. для исправления 16-ти ошибок нужен ECC код длиной 8 байт. Код Рида-Соломона является частным случаем кода БЧХ.
  Теорию о коде Рида-Соломона подробнее читайте здесь.
• Код БЧХ (BCH Code) или код Боуза-Чоудхури-Хоквингема.
  Это широкий класс циклических кодов, применяемых для защиты информации от ошибок.
  Теорию можно почитать здесь.

Математические теории кодов достаточно сложные, но основные приемы работы с кодами известны,  порождающие полиномы легко найти. Казалось бы, мы легко сможем подобрать нужный алгоритм ECC, просто анализируя прошивку. Сначала мы тоже так решили, однако всё оказалось сложнее.

Большинство современных встроенных систем базируются на Linux. Linux для работы накопителей на основе FLASH памяти, как правило, использует драйвер MTD. В драйвере MTD реализовано программное кодирование для NAND кодом BCH с вполне известным набором полиномов. Всё будто просто, но в реальной жизни (в реальных прошивках) такое кодирование не встречается. Почему? Всё упирается в деньги. Вернее, в желание производителей аппаратуры их сэкономить.

Почему вместо обычной памяти FLASH, работающей безошибочно, используются NAND, производящие кучу ошибок? Потому что это в разы дешевле. За разработку алгоритма кодирования/декодирования ЕСС заплатить нужно ОДИН раз, за память без ошибок нужно платить КАЖДЫЙ раз в КАЖДОМ устройстве.

Ровно по этой же причине в реальных устройствах (особенно массовых) никогда не используется чисто программное декодирование ЕСС – это декодирование является очень ресурсозатратным. Получается: ставим дешевую память – получаем или медленно работающее устройство, или нужно ставить мощный процессор, стоимость которого сводит на нет выгоды от использования дешевой памяти.

Поэтому декодированием ЕСС в современных системах занимаются специальные сопроцессоры или контроллеры. Придумываются и реализуются более совершенные коды ЕСС. Часто используются комбинированные коды CRC/ECC. Код CRC рассчитывается быстрее, чем ЕСС, это позволяет использовать CRC-часть для обнаружения ошибок, а полное декодирование ЕСС — только при их наличии.

Все эти коды и алгоритмы являются предметом авторского права и собственностью компаний, их разработавших. Ежедневно патентуются все более совершенные коды и все более быстрые алгоритмы их расчета. И никто не спешит делиться своими секретами.

Как итог — мы видим прошивку. Часто мы видим как страница разбита на подстраницы. Мы видим где находятся коды ЕСС подстраниц. Но не знаем, каким алгоритмом они рассчитаны, и поэтому не можем их использовать для исправления ошибок.

Для тех, кого посетит мысль о том, что взломать алгоритм ECC не сложно, хочу напомнить, что для шифрования данных и расчета кодов исправления ошибок используется идентичный математический аппарат.

Домашнее задание

В следующий раз мы будем разбирать, сколько данных пишется на SSD в наших ПК. Я попрошу предоставить сведения с ваших систем, и хотя в статье будут базовые инструкции, предварительная подготовка не помешает.

• Фирменная утилита. Если таковая существует для вашего диска, найдите ее и научитесь просматривать данные SMART в ней.
• Интерпретация атрибутов SMART. Найдите официальное описание атрибутов SMART для вашего накопителя на английском языке. Не для всех дисков есть такая документация, но она может быть в разделе поддержки вашего SSD на сайте компании или идти вместе с фирменной утилитой.
• Crystal Disk Info. Научитесь копировать в этой программе информацию только об атрибутах SMART.

Магия ЕСС.

Все наверное знают, что такое CRC. Код CRC (еще иногда (ошибочно) называют «контрольная сумма») — это такой специальный код, который позволяет найти ошибку в данных.

ЕСС — это более продвинутый код. Он позволяет не только обнаружить но и исправить (!) ошибку в данных. Поэтому он и называется ECC (Error Correction Code) — Код Исправляющий Ошибки.

Как работает такой код? Ох, лучше не спрашивайте. Я сам не понимаю (шутка). Просто поверьте в магию. Страница считана с ошибками, но код ЕСС может все исправить. Задействуем  код ЕСС — и все читается без ошибок.

Кратко опишем как выглядит работа кодера/декодера ЕСС:

• Берется порция данных, например, 2048 байт, записывается в страницу NAND.
• Рассчитывается код ЕСС и тоже записывается (назовем его ECC1) (именно для записи таких кодов страница сделана чуть больше!)
• Затем читаем страницу 2048 байт.
• Опять рассчитываем код ЕСС (назовем его ECC2).
• Читаем записанный код ЕСС1 и сравниваем ECC1 и ECC2.
• Если коды совпадают, значит ошибок нет.

Вот до этого места коды CRC и ECC не сильно отличаются, магия ЕСС начинается дальше:

• Если коды различаются — рассчитываем так называемый синдром ошибки. Он покажет, сколько есть ошибок и где они расположены (с точностью до бита).
• Зная, где расположены ошибки, их можно исправить.

Вот и вся магия. Мы просто исправляем ошибки.

Конечно код ЕСС не может исправить все ошибки. Он может исправить их небольшое количество, скажем 16. Но нам больше и не нужно! Микросхема ведь не делает много ошибок 🙂

Шаги техпроцесса, или зачем уменьшают размер кристалла

В начале 2013 года в большинстве дисков ведущих изготовителей стояла память 25nm MLC (Intel/Micron) и 24nm MLC (Toshiba/SanDisk), но почти за два года картина сильно изменилась. В современных накопителях сейчас стандартом является уже флэш-память 20nm и 19nm. Причем у Toshiba/SanDisk сейчас в ходу уже второе поколение памяти 19nm, а Micron может похвастаться дисками с 16nm MLC NAND.

Все завязано на прибыль, как и в любом бизнесе. Стоимость полупроводников пропорциональна размеру кристалла. Уменьшение его габаритов по осям X и Y позволяет производителям получать из одной вафли больше кристаллов, что снижает их стоимость.

Этапы техпроцесса NAND. Слева направо кристаллы: 2 х 34nm, 1 х 25nm, 1 х 20nm.

Альтернативно, можно добавлять больше транзисторов на каждый кристалл, что повышает его плотность при том же размере, т.е. дает больше Gbit на вафлю. В отличие от узла техпроцесса, плотность в технических характеристиках редко указывают, но в специализированных обзорах ее можно найти.

Увеличить рисунокРаботники SK Hynix демонстрируют вафли флэш-памяти

Теоретически при сжатии кристалла расходы на производство снижаются (или увеличивается прибыль). Однако на практике каждый новый виток уменьшения литографии сокращает чистые доходы изготовителей по сравнению с предыдущим узлом техпроцесса. С одной стороны, возрастают расходы на исследования и производство памяти по новой технологии. С другой, остро встают вопросы целостности данных и срока жизни накопителя, потому что с уменьшением размера ячейки памяти становится все труднее бороться с законами физики.

Давайте немного залезем в технические подробности.

Проблемы травления

После формирования нужного количества слоев на чип накладывается маска и определяются места для будущих отверстий. Теперь наступает очередь операции травления отверстий с большим соотношением длины к диаметру (high-aspect ratio — HAR).

На этом этапе формируются отверстия (каналы) через все уровни, начиная с самого верхнего и до подложки. С их помощью потом производится межслойное соединение ячеек. Количество таких каналов может доходить до 2.5 млн на один чип. При этом все отверстия должны быть параллельными и одинакового диаметра по всей длине.

В настоящее время используется технология реактивного ионного травления (reactive ion etch — RIE). Если описывать процесс создания каналов двумя словами, то они создаются за счет бомбардировки поверхности чипа ионами. Проблема в том, что этот процесс сложный и затратный по времени. Причем, с повышением пропорций отверстий (увеличения значения отношения длины к диаметру) увеличивается продолжительность времени на эту операцию.

Мало того, по мере углубления в слои, количество ионов, используемых для создания канала, может уменьшаться. Это, в лучшем случае, увеличивает время производства, а в худшем приводит к дефектам отверстий (изменение диаметра по мере увеличения длины, искривление или отсутствие отверстий в нижних слоях).

Для 64-слойных чипов соотношение отверстий составляет 60:1, а для 32/48 слойных – 40:1. Современное оборудование для травления вполне справляется с задачей формирования каналов с такими характеристиками.

Основываясь на такой предпосылке, можно предположить, что переход с 96 на 128 слоев не станет большой проблемой. В теории, использование двух 64-слойных чипов действительно позволит решить поставленную задачу.

Травление при одноуровневом (single deck) методе сложнее, особенно когда речь заходит о значениях соотношения 70:1 и выше. При изготовлении 96-слойной NAND каналы должны быть сформированы в течение одной технологической операции. Однако, такая глубина повышает риск изменения геометрии отверстий и появления иных дефектов. В данном случае уже требуются иные способы создания отверстий, например, криогенный метод.

Традиционные методы травления проводятся при комнатной температуре. В случае использования криогенного способа, данная работа выполняется при низких температурах. Заморозка позволяет минимизировать перемещения атомов в кристаллической решетке и их влияние на выполнение операции травления.

Тем не менее, такой способ создания каналов сложен и недешев. Он был описан еще в 80-е годы, но применение его на тот момент было невозможным. Сейчас же, несмотря на сложность, достигнуты большие успехи в освоении этой технологии. Хотя она и дорога, но возможность быстро получать отверстия с заданными параметрами и с минимумом дефектов перевешивает недостатки.

Практический совет по выбору порога ошибок.

Можно порекомендовать простой алгоритм выбора количества допустимых ошибок при верификации (настройка порога толерантности):

Случай 1. Очень оптимистичный…У вас есть эталонная прошивка и она точно без ошибок.

Такую прошивку можно писать и верифицировать с порогом ошибок, заданным в документации на микросхему (во всех наших примерах – это 4).

Случай 2. Реальный. У вас нет эталонной прошивки.

Вы считываете прошивку из микросхемы. Чтобы ее можно было уверенно использовать, количество ошибок на страницу не должно превышать половины лимита (т.е. для нашего примера — это 2 ошибки). Далее вы пишете эту прошивку в микросхему. При верификации записанной микросхемы ошибок тоже не должно быть более 2-х.

Рисунок 4.

При соблюдении этих условий прибор заработает с очень высокой вероятностью (ЕСС прибора должно исправить 2+2=4 ошибки).

Чем больше вы ошибок получаете при считывании эталона и верификации записи, тем меньше вероятность того, что алгоритм ЕСС справится с исправлением ошибок и прибор заработает. Здесь уже как повезет. 🙂

Рыночная ситуация

Как было уже сказано выше, новый производитель флэш-памяти, YMTC (надо подчеркнуть, речь не о том, что «все равно все делается в Китае», а о национальном производителе полупроводников), выпустив свою первую 3D NAND, вторгся в и без того неспокойный и тесный круг фирм, которые обеспечивают потребности в энергонезависимой памяти для смартфонов, устройств хранения и т. п., коими являются Intel, Micron, Samsung, SK Hynix и Toshiba.

А теперь еще и YMTC. Хотя предложенная китайцами технология еще на поколение-два отстает от конкурентов, смотреть на их продукцию свысока или не принимать в расчет – глупо

Достаточно обратить внимание на многомиллиардные суммы, которые направляются китайским правительством и специализированными фондами на развитие собственного полупроводникового производства и ликвидацию отставания от лидеров рынка флэш-памяти

Если еще в прошлом году чипов 3D NAND не хватало, в том числе и по причине технологических проблем перехода на новый дизайн флэш-памяти, то сейчас ситуация совсем другая. Как говорит Jim Handy, аналитик Objective Analysis, «ожидается, что рынок NAND памяти рухнет к концу года. Уже сейчас видна тенденция снижения цен на чипы, и это продолжается весь год».

Это обусловливается, в частности, некоторым снижением спроса и намечающимся перепроизводством энергонезависимой памяти. «Мы сейчас вплотную подошли к избыточности предложения чипов», заявляет Jim Handy.

По мнению исследовательской и консалтинговой компании Gartner, в 2018-м году средняя продажная цена (average selling prices — ASP) на NAND память снизится на 24%, а в 2019-м – на 23%. При этом доходность в 2018-м составит 58.7 млрд долларов США, что на 5 млрд. больше, чем в прошлом. Тем не менее, в долгосрочной перспективе прогнозы вполне оптимистичные.

При этом все производители внимательно следят за рыночной ситуацией. Хотя некоторые из них столкнулись со снижением количества заказов, в целом потребность в чипах растет. В частности ожидается, что доход производителей кремниевых подложек возрастет с 51 млрд долларов в 2017-м году до, примерно, 56-58 млрд долларов в этом. Об этом сообщил директор компании Tokyo Electron Ltd (TEL) Toshiki Kawai.

ONFi и Toggle Mode

Накопители (твердотельные диски) с MLC делятся на два вида в соответствии с используемым интерфейсом. Обе эти аббревиатуры обозначают не просто разные интерфейсы, но и объединения (альянсы) разных производителей флеш-памяти, выпускающейся по определенному стандарту. Например, Intel, Micron, Spectec, Hynix относятся к «ONFI». А Samsung, Toshiba, SanDisk — соответственно к «Toggle Mode».

Оба интерфейса бывают разных версий, версии определяют пропускную способность для каждого канала NAND. Кроме того, ONFI делится на асинхронный и синхронный, последний — обеспечивает быстродействие, но при этом нехило повышает цену девайса. Ну а асинхронный, соответственно — дешевле, но медленней. При прочих равных память Toggle Mode «на бумаге» выглядит несколько быстрее ONFi в операциях «последовательная запись» и «случайное чтение».

Резюме

Давайте подведем промежуточный итог на основе информации из этой статьи:

• для сокращения расходов размер кристалла уменьшают по осям X и Y, а также увеличивают его плотность
• программирование ячеек памяти достигается подачей напряжения, что постепенно изнашивает их
• с уменьшением размера кристалла становится тоньше оксид, что негативно сказывается на сроке службы ячеек
• истончение оксида вынуждает контроллер подавать более высокое напряжение, чтобы запрограммировать ячейку
• типы памяти различаются по количеству битов в ячейке, и чем их больше, тем хуже выносливость и скорость
• TLC наименее вынослива, потому что 8 состояний напряжения сокращают пространство для его повышения по мере износа ячеек
• для повышения быстродействия и выносливости в дисках на TLC (и даже на MLC 1xnm) используется псевдо-кэш SLC

Так выглядит сводная таблица ключевых характеристик для типов флэш-памяти, рассмотренных в этой статье.

Тип NAND	SLC	MLC	TLC
Производительность	★ ★ ★ ★ ★	★ ★ ★	★ ★
Выносливость	★ ★ ★ ★ ★	★ ★ ★	★ ★
Сложность коррекции ошибок	★ ★	★ ★ ★	★ ★ ★ ★
Стоимость	$$$$$	$$	$

Из нее хорошо видно, что основным мотивом движения индустрии флэш-памяти в сторону TLC является сокращение затрат на производство (без учета необходимых для этого инвестиций).

Согласно прогнозу Samsung, через три года 80% рынка будет составлять TLC NAND

Обратите внимание, что на диаграмме TLC обозначена как 3-bit MLC. Формально, так и есть, но все-таки просматривается маркетинговая хитрость

Я вернусь к этому моменту в следующей статье.

Почему количество циклов перезаписи NAND ограничено

Со временем электрическая активность изнашивает физическую структуру ячейки, уменьшая микроскопический слой оксида. Его толщина <10nm, т.е. как минимум в 3000 раз тоньше человеческого волоса!

Кристаллы Micron 16nm MLC NAND

Поскольку слой оксида истончается, электроны могут в нем застревать, накапливая отрицательный заряд, играющий против поданного напряжения. Как следствие, приходится подавать более высокое напряжение, прежде чем найдется правильное. Это, в свою очередь, делает оксид еще тоньше.

Между тем, толщина слоя оксида неизбежно снижается с уменьшением размера кристалла при переходе на меньшие узлы техпроцесса (например, 25 → 20 → 16nm), что только усугубляет проблему выносливости NAND.

Однако выносливость NAND зависит не только от геометрии кристалла, но еще и от количества битов, хранящихся в ячейке.

Что указывают в характеристиках SSD

Технические характеристики NAND, публикуемые на официальных сайтах производителей и в сетевых магазинах, далеко не всегда содержат подробную информацию. Более того, терминология сильно варьируется, и я подобрал для вас данные о пяти различных накопителях.

Вам что-нибудь говорит эта картинка?

Ок, допустим, Яндекс.Маркет — не самый надежный источник информации. Обратимся к сайтам производителей — так легче стало?

Может быть, так будет понятнее?

А если так?

Или все-таки лучше так?

Между тем, во всех этих накопителях установлена одинаковая память! В это трудно поверить, особенно глядя на две последних картинки, не правда ли? Дочитав запись до конца, вы не только в этом убедитесь, но и будете читать подобные характеристики как открытую книгу.

Производители

Компаний, которые производят чипы для твердотельных накопителей, меньше, чем брендов, выпускающих диски SSD.

• Intel/Micron;
• Toshiba/SanDisk;
• Hynix;
• Samsung.

Первые два пункта не случайно содержат две компании через слэш – эти бренды наладили совместное производство и маркируют продукцию приблизительно в равных пропорциях.

У этих компаний покупают чипы все бренды, выпускающие SSD, поэтому на разных марках установлены по сути одинаковые запоминающие устройства. Принципиальных различий между марками памяти нет: производятся они по единому технологическому процессу и стоят примерно одинаково.

На цену влияют уже транспортные издержки: купить в 2018 году накопитель с памятью, сделанной в Сингапуре, обойдется дешевле, чем с памятью, сделанной в США, учитывая, что и стоимость чипов и контроллеров также приблизительно одинакова.

Остальные операции

После этого выполняется собственно формирование ячеек, причем технология у каждого производителя может быть своя. В общих словах, например, отверстия могут покрываться слоем поликремния и заполняться диоксидом кремния. После этого, удаляются ненужные слои материала, наносится диэлектрик для затвора будущего транзистора, затем формируется сам затвор и т. д.

Обычно все эти шаги выполняются последовательно в течение одного технологического процесса. При этом управляющая логика находится внизу, на подложке, а ячейки памяти формируются уже сверху.

Иначе поступает YMTC. Там ячейки памяти и вся управляющая логика формируются на разных подложках во время независимых друг от друга технологических операций. После этого обе подложки склеиваются и производится их электрическая коммутация при помощи миллионов металлических проводников.

Такой способ сокращает время производства на 20% и позволяет получить более высокую плотность чипа. Однако китайскому производителю еще требуется время для развертывания массового производства своих микросхем памяти.

В то же время существующие производители продолжат активно конкурировать между собой, предлагая все новые чипы. Учитывая отсутствие недостатка в таких предложениях, можно надеяться, что стоимость запоминающих устройств будет неуклонно снижаться. Что, собственно, конечному покупателю только во благо.