Память будущего: как устроены SSD?

28 Октября 2018, Hi-News.ru 25

Устройство флеш-памяти представляет особенный интерес. Когда традиционные жесткие диски хранят информацию на нескольких магнитных пластинах (платтерах), где актуатор со считывающими головками получает информацию с вращающегося диска, в SSD информация хранится при помощи флеш-памяти NAND. Изначально данная технология была доступна только для использования по проводу, однако производители твердотельных накопителей не стоят на месте, поэтому сейчас рынок активно штурмуют как проводные, так и беспроводные SSD.

Рассмотрим принцип работы SSD. Информация хранится в массиве ячеек памяти, который состоит из транзисторов с плавающим затвором. Электроны в зависимости от направления напряжения перемещаются между управляющим затвором и каналом NAND. Когда на управляющий затвор подается напряжение, электроны начинают притягиваться вверх, и полученное электрическое поле помогает им достичь плавающего затвора, преодолев при этом препятствие из оксида. Благодаря ему электроны не двигаются дальше плавающего затвора. Так происходит программирование ячейки.

Отсутствие движущихся дисков подвижных частей — одно из главных преимуществ SSD над жесткими дисками, и именно это дает твердотельным накопителям работать на скоростях, заметно превосходящих HDD. Для наглядности — вот сводная таблица по времени задержки различных типов NAND и HDD.

SLC, MLC, TLC — количество бит в каждой ячейке. В SLC (Single) это один бит, в MLC (Multi) — два бита, в TLC (Triple) — соответственно, три бита. Следовательно, MLC хранит в два раза больше информации, чем SLC, и это при том, что количество ячеек то же самое. В целом, принцип работы у этих типов NAND одинаковый, что нельзя сказать о выносливости.

Если, к примеру, взять кристалл NAND плотностью 16 Гбит, получим SLC 16 Гбит при том, что в каждой ячейке один бит. Соответственно, для MLC это будет 32 Гбит, а для TLC — 48 Гбит. Правда, в последнем случае кристалл NAND все равно приходится резать, в итоге получается эквивалент 32 Гбит у MLC.

У TLC по этому параметру самый лучший показатель — этот тип NAND выдерживает широкий диапазон колебаний напряжения. Накопители с данным типом отличаются доступной ценой и большой емкостью — например, эта модель от SILICON POWER или такой накопитель производства SANDISK. Но и с SLC встречаются интересные варианты (SILICON POWER M-Series).

Несколько лет назад на смену планарной флеш-памяти NAND пришла 3D NAND. Она меньше подвержена износу за счет отсутствия необходимости в подаче высокого напряжения при записи данных в ячейку. Производители активно развивают данное направление, и на рынке уже есть много накопителей с типом памяти 3D NAND. По стоимости они дороже (A-DATA с 512 ГБ обойдется почти в 7 000 рублей, а INTEL — почти в 20 000 рублей), но и прослужат такие накопители дольше.

В этом случае мы получаем цилиндр с верхним слоем в роли управляющего затвора, при этом внутренний слой выполняет роль изолятора. Сами ячейки располагаются друг под другом, образуя стек. Управляющая логика размещается под массивом памяти, освобождается площадь чипа, где впоследствии находят себе «дом» ячейки памяти.

С этими современными технологиями SSD стали еще более производительными и имеют хорошую пропускную способность. Ожидалось, что на смену NAND придет что-то другое, и 3D NAND не заставила себя ждать. А дальше кто знает, куда нас заведут технологии.

25 комментариев Оставить свой

  1. SERGZV

    Этому будующему 100 лет в обед))

  2. Putnik1964

    В том виде, что описано - давно не новость, лет 12 наверное. :-)
    Сейчас уже на серверах стоят NVMe.

    //https://yandex.ru/images/search?text=NVMe
    //https://ru.wikipedia.org/wiki/NVM_Express

    • Mauhuur

      Putnik1964, при чём тут протокол и принцип хранения? ты дорогу с машиной не путай.

      • Putnik1964

        Mauhuur, накопитель (т.н. "винчестер") это не только ячейки памяти (сектора на HDD или ячейки флэш-памяти), это ещё и контроллер. Это те самые микросхемки, которые видны, к примеру, на обратной стороне HDD.
        И одно без другого работать не будет.

        Сами по себе микросхемы флеш-памяти много где есть и помимо SSD:
        - USB-флешка,
        - BIOS
        - SIM-карта
        - сотовый телефон и т.д.

        • Mauhuur

          Putnik1964, ты теперь не извивайся ужом. речь о конкретной статье где технология хранения, а не прочие чипы. и контроллер к протоколу не имеет так же отношения.

          • Putnik1964

            Mauhuur, .
            > речь о конкретной статье где технология хранения, а не прочие чипы.

            Заголовок статьи прочитать сможете? :-)
            Он звучит так: "Память будущего: как устроены SSD?"

            Статья о накопителях SSD.
            Всё, что в ней написано, это давно не новость.

            2D-NAND производятся с начала 2011 года, 3D-NAND с 2012 года:
            //http://www.outsidethebox.ms/blog/wp-content/uploads/blog-images/2d-nand-3d-nand-20.png
            //http://www.outsidethebox.ms/blog/wp-content/uploads/blog-images/2d-nand-3d-nand-06.png

            Конкретно по накопителям SSD новостью является NVMe.
            Она кстати на верхней картинке к этой статье присутствует (самая правая). Вот эта часть SSD появилась действительно совсем недавно и является действительно шагом вперёд для SSD.

            • Mauhuur

              Putnik1964, юлить я смотрю ты мастер. так не хочется признаваться, что ты не в тему написал. а заголовок вообще не при чём. главное внутренности. тут и чайнику понятно, что это реклама конкретных моделей. могли и ещё через 10 лет написать о hand. если ты ещё не в курсе на каком находишься сайте уже столько времени, то сюда зырь - i10.ru

            • Mauhuur

              Putnik1964, самая верхняя строчка уже о всём говорит.

  3. amd212

    SSD -шки всё ещё дороговаты, но в качестве системных дисков в лаптопы и настольные компы уже идут "на ура".
    Под видеосториджи и резервные хранилища достаточно дешёвых HDD

    • Putnik1964

      amd212, лет 5 как уже есть гибридные винты: SSD+HDD.
      По сути это системный диск С и дополнительный диск D в одном флаконе. Как компромисс по цене.

      • amd212

        Putnik1964, Не знаю. Для настольника я предпочитаю SSD 500GB под операционку и два по 4TB HDD в стрип. Для ноутов пока и 250GB SSD достаточно.
        Гибриды пока не юзал. Гибрид как бы ни то ни сё.

        • Putnik1964

          amd212, Гибриды это эконом-вариант, компромисс по цене.
          Не всем же нужны такие большие накопители как у Вас в PC. :-)

        • Elk

          amd212, Офигеть, куда тебе столько?
          Сам использую 128 гб SSD + 2 тб HDD.

      • p1glet

        Putnik1964, отделяйте мух от говна, гибридные накопители это HDD с SSD кєшем...

        • Putnik1964

          p1glet, я сужу по тем винтам, которые сам устанавливал.
          Вот к примеру пара таких:

          //https://www.citilink.ru/catalog/computers_and_notebooks/hdd/hdd_in/385558/
          //https://www.citilink.ru/catalog/computers_and_notebooks/hdd/hdd_in/385557/

          Внешне они как обычные 3,5`-винты.
          При установке операционки у них видны 2 диска. На первый диск (SSD) ставится операционка и он потом виден как С-диск, второй (HDD) после установки виден как D.

          Цитата по ссылке:
          "Жесткий диск SEAGATE Firecuda ST2000DX002 включает скоростной SSD-раздел объемом 8 Гб, в который можно выделить операционную систему для сверхбыстрой загрузки."

          А кэш-память в HDD была изначально, иначе бы они круто тормозили.

          Сейчас посмотрел, есть оказывается и винты у которых SSD-часть заявлена именно как кэш. Но это только 2,5`-винты для нотиков.
          Вот пара таких:

          //https://www.citilink.ru/catalog/computers_and_notebooks/hdd/hdd_in/396893/
          //https://www.citilink.ru/catalog/computers_and_notebooks/hdd/hdd_in/396895/

          Живьём я с такими ещё не сталкивался, не могу сказать как видны его SSD- и HDD-части после установки операционки - как 2 диска или как 1.

  4. ХИТРЫЙ ЕВРЕЙ

    Таки пардон, но, мне кажется. что 3DXPoint, она же Optane. есть память будущего, теоретически позволяет отказаться от оперативной памяти и использовать одну память вместо ОЗУ и ПЗУ.

    • Putnik1964

      ХИТРЫЙ, об особенностях 3D XPoint и её сравнении с 3D NAND на хабре есть достаточно большая статья от известной компании Western Digital:
      //https://habr.com/company/wd/blog/350104/

      3D XPoint начала создаваться тоже давно, ещё в 2012 году.
      Главными её проблемами называются огромная стоимость и сложность в производстве и масштабировании.

      Лично мне это напоминает старую известную историю с RIMM.
      Которая была в разы быстрее DIMM, но много дороже её. Плюс патентные споры на RIMM.

      В итоге как известно победила более слабая DIMM.
      Поскольку изначально была много дешевле и производить её мог чуть ли не каждый желающий.

      • ХИТРЫЙ ЕВРЕЙ

        Putnik1964, Хм, всю статью не осилил, но насколько могу судить, речь идет о скоростях чтения, предоставляемых форм-факторами DIMM и 3D XPoint.

        Но, если не ошибаюсь (поправьте, если что), скорости отклика ячейки 3D XPoint и DDR близки и, если отличаются в пользу DDR, то в разы, но не в порядки раз, как, например, в сравнении с Nand (в 1000 раз медленнее 3D XPoint) и HDD (последние, имхо, пора и вовсе на свалку истории в компанию к накопителям на ферритовых сердечниках :)

        Но даже если и есть разница в разы, то ее можно компенсировать кэш-памятью процессора.
        Решение будет небюджетное, не спорю, но современная техника вроде самртфонов-айфонов-ультрабуков к бюджетности и не склонна ...

        • Putnik1964

          ХИТРЫЙ, кэш-память для CPU вообще фантастически дорогая.
          Что-либо ею компенсировать потому уже невозможно.

          И чисто технологически, она размещается непосредственно в CPU.
          Оперативная же память и память накопителя общаются с CPU через северный и южный мосты (системные контроллеры) по шинам данных, с помощью их контроллеров.
          //https://studfiles.net/html/2706/156/html_RhFXjyrvcE.B57X/img-7seWtY.png
          Т.е. и по этой причине кэш-память тоже не может "компенсировать" другие виды памяти и их "тормознутость".

          Как я понимаю, будь цена на 3D XPoint хотя бы рядом с ценой на 3D NAND, первая была бы безусловным фаворитом по всем показателям, даже несмотря на сложность её производства.
          А так, я бы оценил её шансы победить как 20 из 100...

  5. Ce3apyc

    Будущее внешних носителей, это когда они приблизятся по скорости к оперативной памяти, и необходимость оперативной памяти попросту отпадет, а процессор сможет выполнять код и работать с массивами данных непосредственно с внешнего носителя.

    • Elk

      Ce3apyc, Тут проблема не только в скорости, у микросхем памяти еще и число циклов записи ограничено.

      • Ce3apyc

        Elk, Ну, да - и по циклам записи. В конце концов, что-нибудь придумают.

    • ХИТРЫЙ ЕВРЕЙ

      Ce3apyc, Тогда уж проще встроить такое решение непосредственно в SOC, внешние накопители, они на то и внешние, чтобы можно было фоточки хранить, курсовую, кандидатскую ...

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.