Какую компанию представляет себе рядовой пользователь, услышав словосочетание «твердотельный накопитель»? Конечно же, в первую очередь вспоминаются такие популярные производители как OCZ,…
Какую компанию представляет себе рядовой пользователь, услышав словосочетание «твердотельный накопитель»? Конечно же, в первую очередь вспоминаются такие популярные производители как OCZ, Corsair, Plextor или Crucial, но они, в большинстве своём, продают в корпусах со своими логотипами своеобразную «сборную солянку» — чипы памяти от Intel или Samsung, контроллеры от SandForce или Marvell и так далее. А есть производители, которые не занимают такую большую часть рынка, но предоставляют конечному пользователю по-настоящему свой продукт. Одним из таких производителей является всем известная компания Toshiba.
Toshiba Corporation не нуждается в особом представлении, это очень крупный международный концерн, работающий в сфере электроники, электротехники и всевозможного оборудования. Компания была создана в далеком 1939 году и за время своего существования завоевала признание и доверие множества потребителей.
Сегодня в нашей редакции оказался накопитель Toshiba Q Series Pro объёмом 256 ГБ, так же пользователю доступны версии накопителя 128 ГБ и 512 ГБ.
Как ни странно, накопители всех трёх объёмов, согласно сайту производителя, имеют абсолютно одинаковые технические характеристики, в основе SSD лежит контроллер от Toshiba и 19-нм модули памяти MLC NAND также от Toshiba.
Технические характеристики:
- Модель: Q-Series Pro;
- Форм-фактор: 2,5“;
- Интерфейс подключения: SATA3 (6 ГБ/с);
- Объём: 128 ГБ, 256 ГБ, 512 ГБ;
- Контроллер: Toshiba TC358790XBG;
- Память NAND: 19 нм, Toshiba MLC Toggle NAND;
- Последовательная скорость чтения/записи: 554/512 МБ/с;
- Габариты: 69,8х100х7 мм;
- Цена: 9300 рублей (средняя цена по Яндекс Маркету).
Упаковка и комплектация
Поставляется накопитель в неприметной картонной коробке тёмных цветов. На лицевой стороне находится изображения SSD и основные его особенности: форм-фактор, интерфейс, ёмкость и скорости работы с данными. Также имеется упоминание о том, что диск тонкий, его толщина всего 7 мм, так что накопитель подходит для установки практически в любые ноутбуки и ультрабуки.
На обратной стороне нанесено более подробное описание технических характеристик устройства на нескольких языках, а также описание комплектации.
Сам накопитель, внутри коробки, очень надёжно запечатан в мягкий пакет, который отлично защищает его от любых повреждений во время транспортировки.
Комплект поставки:
- Твердотельный накопитель Toshiba Q Series Pro
- Рамка для увеличения толщины
- Руководство по установке и гарантийный талон
В комплекте, на себя обращает взор лишь рамка, она служит для увеличения толщины SSD до стандартного значения в 9,5 мм. Требуется это потому, что до сих пор во многих ноутбуках имеется место именно под стандартный 9,5-миллиметровый жесткий диск.
Внешний вид и материалы
Внешний вид накопителя вполне стандартный, материал корпуса – алюминий без какого-либо покрытия. Выглядит очень стильно и брутально.
На поверхности алюминия есть небольшие точки-углубления, никакой практической цели они не несут.
Габариты SSD также стандартные: ширина — 70 мм, длина — 100 мм, толщина, как уже упоминалось, 7 мм с возможностью увеличения до 9,5 мм с помощью комплектной рамки.
Большую часть обратной стороны занимает наклейка с разнообразной информацией о диске. По углам четыре небольших отверстия для крепления устройства в лоток корпуса ПК или ноутбука.
Из неё можно узнать, что питание накопителя происходит по стандартном 5V потоке, также имеется упоминание о стране производства – это Филиппины.
В целом, внешний вид накопителя внушает доверие, качественные и дорогие материалы, отличная сборка, ни люфтов, ни щелей, одним словом – «качество». К тому же металл способствует хорошему отводу тепла от модулей памяти и контроллера, для этих целей ещё и внутри всё устроено довольно грамотно, посмотрим чуть позже.
Подключается SSD, как и большинство современных накопителей, происходит с помощью интерфейса SATA III 6 ГБ/с, естественно, имеется обратная совместимость с более ранними версиями SATA.
Контроллер и память
Перейдём к рассмотрению внутренних компонентов. Разобрать накопитель не составит никакого труда, нужно открутить всего лишь 4 мелких винта на лицевой стороне корпуса. Сразу же бросается в глаза термопрокладка, которая прилегает к обратной стороне печатной платы и способствует отводу тепла, хотя эта часть обычно греется совсем незначительно.
- На всех чипах памяти и на контроллере также имеются термопрокладки, помогающие отводу тепла от элементов к металлическому корпусу накопителя.
Печатная плата выполнена из зелёного текстолита, все элементы сконцентрированы на одной стороне. Чипы памяти 19 nm MLC Toggle NAND производства Toshiba, занимают большую часть платы, их тут 8 штук, каждый объёмом по 32 ГБ, маркировка чипов TH58TEG8CDJBASC.
Каждый чип имеет пропускную способность 400 МБ/с. Контроллер также собственного производства Toshiba, маркировка TC358790XBG.
Хотя история данного контроллера не такая уж и простая, в основе лежит платформа от Marvell, предположительно модели 88SSS9187 или 88SS9189, но данная платформа подверглась серьёзной переработки со стороны инженеров Toshiba.
После усовершенствования микропрограмма и контроллер не нуждаются в установке микросхемы буферной памяти, теперь эта память выделяется из общего объёма, что классические контроллеры Marvell не поддерживают до сих пор. Стоит заметить и то, что место под буферный чип на плате имеется, но сам чип отсутствует.
Тестирование
Для начала посмотрим на SMART-параметры накопителя. В отличие от тех же накопителей Intel, тут нам представлена полная информация об устройстве, также видно, что SSD поддерживает NCQ, APMи TRIM.
Для наглядностисравним результаты Toshiba Q Series Pro с накопителями других производителей, побывавших в нашей редакции ранее. Это будутIntel 335 Series 240GB, Kingston KC300240GB и Kingmax SMG32256GB.
Для получения объективного представленияо производительности накопителей мы решили использовать традиционный CrystalDiskMark 3.0.1 х64, не менее популярный AS SSD Benchmarkи PCMark 7, который имитирует работу с различными реальными пакетами программ.
Тестовый стенд:
- Процессор: Intel Core i5-2500K
- Материнская плата: AsRock Pro3 P67
- Системный накопитель: Intel 335 Series 240GB
- Оперативная память: DDR3 Samsung 1600 МГц, 2 х 4 ГБ
- Блок питания: Chieftec BPS-650
CrystalDiskMark 3.0.1 x64
Данный набор тестов позволяет оценить производительность накопителей самого различного класса, в том числе и SSD. Тестирование проводилось со всеми наборами данных (от 50 Мб до 4000 Мб). Чтобы не загромождать графики и не делать их слишком много, было решено брать среднее значение скоростей записи/чтения данных в каждом из тестов.
Тест на последовательное чтение сразу же показывает сильные стороны контроллера Toshiba TC358790XBG и слабые стороны SandForceSF-2281, на котором базируются соперники нашего накопителя.
Сразу же бросается в глаза высокая скорость записи данных, она находится в районе 500 МБ/с, в то время как соперники показывают результаты практически в 2 раза ниже.
Скорость чтения 532 МБ/с, что довольно близко к заявленной производителем цифре в 554 МБ/с.
Обработка некрупных блоков данных по 512 Кб также происходит весьма быстро. Скорость чтения таких данных равна 460 МБ/с, скорость записи — 483 МБ/с. Соперники показывают примерно такие же результаты в тестах чтения, но вот скорость записи данных у них отстаёт очень сильно.чень сильно.
При дальнейшем уменьшении блоков данных происходит и закономерное падение скорости записи/чтения, так как работа с мелкими файлами очень сильно нагружает не только обыкновенные диски, но и твердотельные накопители. Скорость записи тут составила 37 МБ/с, скорость чтения 85 МБ/с, что сопоставимо с результатами накопителей на SandForce.
Далее проведём тест диска с помощью всё тех же 4 Кб блоков, но с фиксированной глубиной очереди равной 32.
Тут нужно сказать, что в реальной работе практически каждое приложение создаёт определённую глубину очереди, ГО приближенную к 32 единицам могут создать различные приложения или операции средней сложности, например копирование текстовых файлов больших объёмов. Показатели нашего диска сопоставимы с показателями Kingmax SMG32 и значительно опережают по записи другие два диска.
AS SSD Benchmark
- Следующим тестовым пакетом стал AS SSD Benchmark, данная утилита представляет примерно такой же набор тестов как и CrystalDiskMark, но с довольно интересными и полезными дополнениями в виде большей глубины очереди и тестов на задержку и скорость записи реальных массивов данных.
- Результат данного теста практически аналогичен результату в CrystalDiskMark, что ещё раз подтверждает отличную работу контроллера от Toshiba.
- Блоки по 4 Кб записываются и читаются с характерной для подобных SSD скоростью.
AS SSD Benchmark позволяет провести тест на работу со случайными данными при глубине очереди равной 64, что является очень серьёзной нагрузкой, свойственной для серверных задач.
И тут мы видим, что накопитель Toshiba очень сильно опережает своих соперников в тесте чтения, такое преимущество впечатляет. Опять же архитектура контроллера тут играет большую роль.
Далее посмотрим на результаты ещё одного интересного теста на задержку при чтении и записи данных. Тут логика простая – чем цифры в тесте меньше, тем быстрее осуществляется доступ к приложениям и их запуск.
Результаты Toshiba Q Series Pro тут выглядят очень впечатляюще, задержка минимальная, что буде способствовать очень быстрому запуску как операционной системы, так и различных программ.
Особенно впечатляюще результаты тестируемого диска выглядят на фоне цифр накопителей на контроллере SandForce, для которых задержка является одним из больных вопросов.
Хорошие результаты получились и в тесте на длительность копирования трёх типов файлов – программ, игр и образов ISO. Тестируемый диск значительно опережает накопители Intel и Kingston и немного опережает Kingmax.
PCMark 7
В завершении посмотрим на результаты теста PCMark 7. Этот набор тестов имитирует работу с реальными данными различного типа – игры, программы, изображения, видео и так далее. Результат выводится в виде общего балла и в виде скоростей работы с каждым видом данных отдельно.
- По общему баллу Q Series Pro опережает конкурентов на 5-10%, что является весьма не плохим результатом.
Скорости работы с разнообразными типами данных эмулируемых в бенчмарке PCMark 7 примерно одинаковые у всех современных накопителей, данный случай не оказался исключением. По результатам видно, что где-то немного впереди диски на SandForce, где-то впереди тестируемый экземпляр.
В итоге
Подводя итог нашему сегодняшнему тестированию, нужно сказать, что инженеры Toshiba, в случае ссериейQ Series Pro, потрудились очень и очень достойно.
Переработанный контроллер Marvell, который получил новое название Toshiba TC358790XBG, показал очень хорошие результаты при работе с самыми разнообразными видами данных, даже не смотря на то, что был устранён физический модуль DRAM памяти.
Скорости, заявленные производителем, вполне оправданны, даже в тестах со случайными данными накопитель отстаёт от них не очень сильно.
Теперь о ценах, рекомендуемые производителем цены выглядят так: 128 ГБ – 99,99$, 256 ГБ – 189,99$, 512 ГБ – 373,94$. В российской рознице накопитель объёмом 256 ГБ нам удалось найти за 9000-9500 рублей, что довольно дорого.
SSD на основе SF-2281 сейчас стоят примерно на 10-15% меньше, но выбор, конечно же, за вами, немного переплатить и получить действительно достойный продукт на одном из лучших контроллеров, либо сэкономить и получить весьма средние скоростные показатели.
Положительные стороны Toshiba Q Series Pro 256GB:
- Качественные материалы и сборка
- Контроллер и память собственной разработки
- Высокая скорость работы с данными
Отрицательные стороны Toshiba Q Series Pro 256GB:
- Высокая, на данный момент, цена
- Небольшая распространённость на нашем рынке
По общим впечатлениям от использования накопителя и по совокупности плюсов и минусов, Toshiba Q Series Pro, по нашему мнению, достоин самой высокой награды от редакции i2HARD.
Анатомия накопителей: SSD
Часть 1. Анатомия накопителей: жёсткие диски
Твёрдый, как камень
Точно так же, как транзисторы совершили революцию в компьютерной области, увеличив скорость переключения и выполнения математических операций, использование полупроводниковых устройств в качестве накопителей привело к такому же результату.
Первые шаги на этом пути были сделаны компанией Toshiba, предложившей в 1980 году концепцию флеш-памяти. Четыре года спустя она создала NOR-память, а в 1987 году — NAND-память.
Первый коммерческий накопитель с использованием флеш-памяти (solid state drive, или SSD) был выпущен SunDisk (позже переименованной в SanDisk) в 1991 году.
Большинство людей начало своё знакомство с твердотельными накопителями с так называемых USB-флешек. Даже сегодня их структура в целом напоминает конструкцию большинства SSD. 
Слева показан один чип NAND-памяти SanDisk. Как и SRAM, он используется в кэшах ЦП и GPU. Он заполнен миллионами «ячеек», созданных из модифицированных транзисторов с плавающим затвором. В них используется высокое напряжение для записи и стирания заряда в отдельных участках транзистора. При считывании ячейки на участок подается пониженное напряжение. Если ячейка не заряжена, то при подаче пониженного напряжения ток течёт. Это даёт системе понять, что ячейка имеет состояние 0; в противоположном случае она имеет состояние 1 (т.е. при подаче напряжения ток не течёт). Благодаря этому чтение из NAND-памяти выполняется очень быстро, но запись и удаление данных не так быстры.
Самые лучшие ячейки памяти, называаемые одноуровневыми ячейками (single level cells, SLC), имеют только одну величину заряда, создаваемого на участке транзистора; однако существуют и ячейки памяти, способные иметь несколько уровней заряда.
В общем случае всех их называют многоуровневыми ячейками (multi-level cells, MLC), но в отрасли производства NAND-памяти аббревиатурой MLC обозначают 4 уровня заряда.
Другие типы имеют похожие названия: трёхуровневые (triple level, TLC) и четырёхуровневые (quad level, QLC) имеют, соответственно, 8 и 16 различных уровней заряда.
Это влияет на то, сколько данных можно хранить в каждой ячейке:
- SLC — 1 уровень = 1 бит
- MLC — 4 уровня = 2 бита
- TLC — 8 уровней = 3 бита
- QLC — 16 уровней = 4 бита
И так далее. Кажется, что QLC — самые лучшие ячейки, правда? К сожалению, это не так. Токи очень малы и чувствительны к электрическому шуму, поэтому для определения разных уровней заряда ячейки нужно считывать значение несколько раз, чтобы подтвердить его. Если вкратце, то SLC — самые быстрые ячейки, но занимают больше всего физического пространства, а QLC — самые медленные, но за свои деньги вы получаете больше бит.
В отличие от SRAM и DRAM, при отключении питания заряд в флеш-памяти сохраняется и его утечка происходит очень медленно. В случае системной памяти ячейки разряжаются за наносекунды, а поэтому постоянно должны обновляться.
К сожалению, использование напряжения и подача заряда повреждают ячейки, и поэтому SSD со временем изнашиваются.
Чтобы бороться с этим, используются хитрые процедуры, минимизирующие скорость износа; обычно они делают так, чтобы использование ячеек было наиболее равномерным.
Эту функцию контролирует управляющий чип, показанный справа. Ещё он выполняет те же задачи, что и чип LSI, используемый в HDD. Однако в приводах с вращающимися дисками есть отдельные чипы для DRAM-кэша и встроенного ПО Serial Flash, а в USB-флешке оба контроллера встроены. И поскольку они проектируются так, чтобы быть дешёвыми, особой функциональности вы от них не получите.
Но благодаря отсутствию подвижных частей можно с уверенностью ожидать, что производительность флеш-памяти будет выше, чем у HDD. Давайте посмотрим на показатели с помощью CrystalDiskMark:
Поначалу результаты разочаровывают. Скорость последовательного чтения/записи и случайной записи гораздо хуже, чем у протестированного HDD; однако произвольное чтение намного лучше, и это то преимущество, которое обеспечивает флеш-память. Запись и удаление данных выполняются довольно медленно, зато считывание обычно производится мгновенно.
Однако у этого теста есть ещё одна незаметная особенность. Тест USB-памяти обеспечивает подключение только по стандарту USB 2.0, который имеет максимальную скорость передачи всего 60 МБ/с, а HDD использовал порт SATA 3.
3, обеспечивающий пропускную способность в 10 раз больше.
К тому же использованная технология флеш-памяти довольно проста: ячейки имеют тип TLC и выстроены в длинные параллельные полосы; такая компоновка называется плоской (planar) или двухмерной (2D).
Флеш-память, используемая в лучших современных SSD, имеет тип SLC или MLC, то есть она работает чуть быстрее и изнашивается чуть медленнее, а полосы согнуты пополам и выстроены стоймя, образуя вертикальную или трёхмерную структуру ячеек. Также в них используется интерфейс SATA 3.0, хотя всё чаще применяется более быстрая система PCI Express через интерфейс NVMe.
Давайте взглянем на один такой пример: Samsung 850 Pro, в котором использованы эти хитрости с вертикальным расположением.
В отличие от тяжёлого 3,5-дюймового привода Seagate, этот SSD имеет размер всего 2,5 дюйма и намного тоньше и легче. Откроем его (спасибо Samsung за использование таких дешёвых болтов Torx, которые чуть не развалились при демонтаже…) и увидим, почему: 
В нём почти ничего нет! Ни дисков, ни рычагов, ни магнитов — просто одна печатная плата, состоящая из нескольких чипов. 
Так что же мы тут видим? Небольшие чёрные чипы — это регуляторы напряжения, а остальные выполняют следующие функции:
- Samsung S4LN045X01-8030: трёхъядерный процессор на основе ARM Cortex R4, занимающийся обработкой инструкций, данными, коррекцией ошибок, шифрованием и управлением износом
- Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 МБ памяти DDR2 SDRAM, используемой для кэша
- Samsung K9PRGY8S7M: каждый чип — это 64 ГБ 32-слойной вертикальной флеш-памяти NAND типа MLC (в сумме 4 чипа, два расположены на другой стороне платы)
У нас есть 2-битные ячейки флеш-памяти, несколько чипов памяти и много кэша, что должно обеспечить повышенную производительность. Почему? Вспомним, что запись данных во флеш-память — довольно медленный процесс, но наличие нескольких флеш-чипов позволяет выполнять запись параллельно. У USB-флешки нет много DRAM для хранения данных, готовых к записи, поэтому отдельный чип тоже в этом поможет. Вернёмся в CrystalDiskMark… 
Улучшение оказалось огромным. Скорость и чтения, и записи стала значительно выше, а задержки намного меньше. Что ещё нужно для счастья? Меньше и легче, нет подвижных деталей; к тому же SSD потребляют меньше энергии, чем механические дисковые накопители.
Разумеется, за все эти преимущества имеют свою цену, и здесь слово «цена» используется в буквальном смысле: вы же помните, что за 350 долларов можно купить HDD на 14 ТБ? Если брать SSD, то за эту сумму удастся приобрести только 1 или 2 ТБ. Если вы хотите накопитель такого же уровня, то пока лучшее, что вы можете сделать — это потратить 4 300 долларов на один SSD корпоративного уровня ёмкостью 15,36 ТБ!
Некоторые производители изготавливали гибридные HDD — стандартные жёсткие диски, на печатных платах которых было размещено немного флеш-памяти; она используется для хранения данных на дисках, к которым часто осуществляется доступ. Ниже показана плата из гибридного накопителя Samsung ёмкостью 1 ТБ (иногда называемого SSHD).
В правом верхнем углу платы находятся чип NAND и его контроллер. Всё остальное примерно такое же, как и в модели Seagate, которую мы рассматривали в предыдущем посте. Мы можем в последний раз воспользоваться CrystalDiskMark, чтобы посмотреть, есть ли какая-то ощутимая выгода от использования флеш-памяти в качестве кэша, но сравнение будет нечестным, так как диски этого накопителя вращаются со скоростью 7200 rpm (а у HDD WD, который мы использовали для аутопсии — всего с 5400 rpm): 
Показатели немного лучше, но причиной этого, вероятно, является повышенная скорость вращения — чем быстрее диск перемещается под головками чтения-записи, тем быстрее можно передавать данные. Стоит также заметить, что файлы, сгенерированные тестом бенчмарка, не будут распознаны алгоритмом как активно считываемые, а значит, контроллер скорее всего не сможет правильно использовать флеш-память.
Несмотря на это, более качественное тестирование показало улучшение производительности HDD с встроенным SSD. Однако дешёвая флеш-память, скорее всего, выйдет из строя намного быстрее, чем качественный HDD, поэтому гибридные накопители, вероятно, не стоят нашего внимания — индустрия производства накопителей гораздо сильнее заинтересована в SSD.
Прежде чем мы двинемся дальше, стоит упомянуть, что флеш-память — не единственная технология, используемая в твёрдотельных накопителях. Intel и Micron совместно изобрели систему под названием 3D XPoint. Вместо записи и стирания зарядов зарядов в ячейках для создания состояний 0 и 1, для генерации битов в этой системе ячейки изменяют своё электрическое сопротивление.
Intel рекламировала эту новую память под брендом Optane, и когда мы протестировали её, производительность оказалась выдающейся. Как и цена системы, но в плохом смысле. Накопитель Optane всего на 1 ТБ сегодня стоит более 1 200 долларов — в четыре раза больше, чем SSD такого же объёма на основе флеш-памяти.
Третьим и последним накопителем, который мы исследуем в следующей статье, будут оптические приводы.
3D NAND – что это такое. Устройство и перспективы
В одном из предыдущих материалов мы «пробегались» по типам памяти, используемой в SSD-накопителях. Разбирались, в чем отличия MLC от TLC, какие у каждого типа достоинства и недостатки.
Но это все была технология планарной памяти, а в тренде сейчас многослойность и третье измерение.
3D NAND – что это такое? Какие у него преимущества, перспективы и, вообще, оно нам надо? Давайте разберемся.
Почему планарная память так называется
В последние годы актуальной задачей стало создание емких, быстрых, надежных и компактных хранилищ данных. Смартфоны, планшеты, фото- и видеоаппаратура, прочая мобильная и не очень техника и, конечно же, бурно завоевывающийся рынок SSD-накопители.
Требуются именно емкие и небольшие по размеру микросхемы памяти, учитывая ограничения, которые предъявляют некоторые твердотельные диски. Достаточно посмотреть на форм-фактор M.
2 чтобы понять, что большого количества чипов на этой маленькой платке разместить действительно негде.
https://www.youtube.com/watch?v=Bz7qUUc3eD4
До некоторого времени увеличивать емкость можно было как минимум двумя способами:
- Увеличить количество бит, хранящихся в ячейке памяти. Так появилась MLC (2 бита в ячейке», потом ее активно стала вытеснять TLC (уже 3 бита на ячейку).
- Уменьшить физический размер ячейки, для чего использовались все боле тонкие техпроцессы. Так, на смену 32 нм техпроцессу пришел 24 нм, его сменил 19 нм, последний, используемый сейчас, техпроцесс – это 15 нм.
Для увеличения емкости кристалла используют оба способа, но дело в том, что последний, 15 нм техпроцесс, действительно последний, т. к. достигнут технологический предел уменьшения физического размера ячеек, и 15 нм действительно является последним техпроцессом, по которому производят привычную NAND-память.
Что собой представляет NAND-память
Если рассмотреть архитектуру памяти, то единицей хранения информации является транзистор. Традиционно используются транзисторы с плавающим затвором, в котором и хранится один, два или три бита информации. Количество этих битов зависит от типов памяти, о которых можно прочитать в другом материале.
Упрощенная схема NAND-памяти представлена на рисунке. Ячейки (они же транзисторы) соединяются последовательно по 16 или 32 ячеек в группе, образуя страницы, из которых формируется блок. Можно представить себе этакое плоское поле, все утыканное ячейками памяти.
Один из недостатков такой организации памяти – в необходимости оперировать не отдельными битами или байтами, а блоками данных, т. е. произвольный доступ к отдельной ячейке невозможен. Если в случае чтения это не является проблемой, то с записью возникают сложности. Для изменения одного бита приходится считывать блок данных, изменять его и записывать обратно.
Это требует выполнения определенных действий (и времени) по программированию ячеек при записи. Причем перезаписываются даже те ячейки, которые не изменялись.
Отсюда и вытекает ограниченность количества циклов перезаписи, о которой часто говорят применительно к твердотельным накопителям. Особенно актуально это стало в связи с массовым распространением трехбитовых (TLC) ячеек.
Что ж, ради снижения стоимости чипов памяти приходится чем-то жертвовать.
Подобное соединение ячеек позволяет плотно разместить их на кристалле, чем достигается высокая емкость чипов памяти. Чем больше информации можно разместить на единице площади кристалла, тем ниже себестоимость конечного продукта, в данном случае – SSD-диска.
Как было сказано, бесконечно уменьшать размер ячеек нельзя, как и увеличивать плотность их расположения. 15-нм техпроцесс подошел к тому пределу, когда двигаться дальше уже некуда. Ячейки настолько малы, что при дальнейшем их уменьшении заряд начнет «перетекать» из одной ячейки в другую, что, естественно, недопустимо.
3D NAND – что это, спасение?
Можно сказать, что да. Если стоимость кристалла памяти зависит от его размера, а уплотнять его уже не представляется возможным, то почему бы не перейти от двумерной (планарной) организации ячеек к трехмерной, развернув их вертикально? В этом фундаментальное отличие 3D NAND от старой, «плоской» системы размещения ячеек.
Ячейка в данном случае имеет форму цилиндра, в котором внешний слой – это управляющий затвор, внутренний – изолятор и между ними слой, хранящий биты информации слой. Эти цилиндры размещены вертикально, образуя стек, это позволяет убить сразу не одного зайца.
Мало того, что существенно возросла емкость кристалла, так еще и появилась возможность откатиться немного назад, вернувшись на более «толстые» техпроцессы, снизив взаимовлияние соседних ячеек друг на друга и риск перетекания заряда из одной ячейки в другую.
Первой такую память сделала компания Samsung, назвав ее V-NAND (V – от слова vertical, вертикальная). Первое поколение имело 24 слоя, второе – 32, а в последнем, третьем поколении используются уже 48 слоев. Компании Micron, Toshiba представили свои чипы памяти позже, и производят их уже с 64-мя слоями.
Причем, наблюдается и разница в подходах к архитектуре этих микросхем и расположению их на кристалле.
Micron располагает управляющие элементы под NAND ячейками, что экономит место на кристалле, позволяя увеличить его емкость.
Мало того, хотя Samsung и Toshiba отказались от технологии плавающего затвора, воспользовавшись технологией CTF (Charge Trap Flash), которая использует изолированную область для хранения заряда (именно изолированность позволяет снизить утечки, повысить надежность памяти), в Micron остались верны плавающему затвору.
В Toshiba управляющие элементы расположены в верхней части, что, по мнению компании, позволяет этим элементам меньше подвергаться нагреву. К тому же линии ячеек как бы свернуты, напоминая букву «U», а не расположены в одну линию. Все это позволяет добиться снижения количества ошибок при операциях чтения/записи. Ну и, как было сказано чуть выше, используется технология CTF. Сама Toshiba называет свою трехмерную память BiCS 3D NAND (Bit Cost Scalable).
В общем, подходы разные, и что лучше или хуже – будет ясно после того, как появится достаточное количество накопителей с чипами памяти разных производителей, которые можно будет сравнить, устроив тестирование, накопится определенная статистика использования.
Итак, трехмерная память сняла остроту необходимости утончать техпроцесс, как один из способов увеличения емкости чипов.
Правда, при этом возникли некоторые другие технологические сложности, которые, судя по бодрым анонсам практически всех чипмейкеров, успешно преодолеваются. Так, SK Hynix планирует в скором времени перейти на производство 72-слойных чипов.
Та же Toshiba отлаживает выпуск 64-слойных чипов, предлагая их сейчас с емкостью 256 Гб (32 ГБ), а в скором времени ожидается выпуск 3D NAND чипов с емкостью 512 Гб (64 ГБ).
Судя по всему, второе полугодие обещает быть интересным. Увеличится емкость чипов, будут предложены кристаллы с бОльшим количеством слоев.
Что такое технология CTF
В чем суть этой технологии? Разница заключается в области, в которой хранится заряд, и материала, из которого эта область выполнена.
Классический транзистор с плавающим затвором, помимо обычных стока, истока, и затвора, называемого в данном случае «управляющим затвором», имеет и еще одну область – расположенный в слое диэлектрика проводник, называемый «плавающим затвором», в котором, собственно, и накапливается заряд. В нем-то и хранятся биты данных. В качестве диэлектрика используется диоксид кремния SiO2.
Транзистор, выполненный по технологии CTF (Charge Trap Flash) сделан несколько иначе. Собственно, область, где хранится заряд, выполнена из нитрида кремния Si3N4, обладающего рядом отличительных свойств. Так, являясь, по сути, диэлектриком, этот материал способен хранить заряд, что позволяет использовать его в качестве запоминающей ячейки.
По сравнению с диоксидом кремния (SiO2), бОльшая концентрация электронных и дырочных ловушек нитрида кремния как раз и позволяет использовать материал для хранения данных.
При этом такой параметр, как диэлектрическая проницаемость у нитрита кремния (Si3N4) выше, чем у диоксида кремния — 7 против 3.9, что позволяет снизить токи утечки и более надежно хранить заряд.
Отсюда становится понятной аллегория, озвученная лидером в разработке 3D NAND памяти, компанией Samsung, что транзисторы с плавающим затвором – это вода, а с ловушкой заряда – это сыр.
Плавающий затвор (вода) слабо препятствует перемещениям зарядов и их попыткам вообще покинуть эту область (утечка), в то время как ловушка заряда подобна «сыру», существенно ограничивающая возможность этих перемещений и попытки вырваться на «свободу».
Среди достоинств этой технологии обычно указывают:
- Увеличение надежности и упрощение хранения нескольких бит в одной ячейке.
- Упрощение производства за счет уменьшения количества технологических операций.
- Меньший размер ячейки.
- Более высокий процент выхода годных.
Различают несколько вариаций изготовления слоев транзистора в зависимости от материалов:
- SONOS – Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon.
- MONOS – Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon.
- TANOS – Titanium-Alumina-Nitride-Oxide-Silicon.
- THNOS – Titanium-high-k dielectric-Nitride-Oxide-Silicon.
Где предел 3D NAND?
Ну хорошо, количество слоев памяти растет, а где предел, не получится ли так, что вскорости будет достигнут лимит количества слоев, и придется искать альтернативы? Ответ кроется в технологических проблемах и способах их решения.
Если вкратце, и очень упрощенно, то производство многослойной памяти заключается в напылении n-го количества слоев на кремниевую пластину, образующие линии слов (word line), а другая операция заключается в травлении огромного количества отверстий (high aspect ratio etch) через эти слои, чтобы впоследствии сформировать линии битов (bit line). В пространстве линии слов и битов ориентированы перпендикулярно друг другу, а главные сложности кроются именно в отверстиях.
Еще пару лет назад заявлялось, что есть технологические проблемы с травлением отверстий в слоях, количество которых достигает 60-70. Правда, сейчас, когда 64-слойная память – уже реальность, а на горизонте 72-слойная, и есть разговоры про более многослойные варианты, с этой проблемой удается справиться. Вопрос, как?
Один из вариантов – технология «string stacking».
Если не вдаваться в технические подробности, то это установка отдельных чипов памяти (которые сами по себе многослойные) друг на друга (стекирование) с последующим соединением таким образом, чтобы этот многослойный бутерброд распознавался как единое целое, как одна микросхема.
Таким образом, использовав чипы 3D NAND с 32-мя слоями, можно получить итоговый чип с 64 (2 слоя чипов), 96 (3 слоя чипов) и т. д. слоями. Но и тут есть сложности технологического порядка, в первую очередь связанные именно с соединением и коммутацией чипов, которые находятся на этапе решения.
Еще один момент – а сколько вообще слоев может быть? Где предел, при котором микросхема не станет слишком толстой? Если рассматривать с теоретической точки зрения, то можно провести следующие грубые прикидки.
Высота слоев 32-слойной 3D NAND от Samsung составляет около 4 мкм. При этом полупроводниковые пластины, используемые в производстве микросхем, имеют толщину 625-775 мкм в зависимости от диаметра.
Одним из завершающих этапов производства чипов (правда не всегда используемый) является сошлифовывание (back-grinding) обратной стороны этой пластины до толщины порядка 50-75 мкм.
Это уменьшает размеры кристалла и облегчает упаковку готовой микросхемы в корпус, да и для стекирования чипов подходит как нельзя лучше.
Если взять толщину 32-слойного чипа памяти и толщину 300-мм пластины, которая составляет 775 мкм, то, в теории, можно уложить более 190 слоев чипов памяти прежде, чем их толщина превысит толщину исходной пластины (775 / 4 = 193.75).
Конечно, это только в теории, и, скорее всего, таких значений достигнуто не будет, но это иллюстрирует, что «запаса прочности» у технологии 3D NAND вполне достаточно.
Главное – решить текущие технологические проблемы именно с укладкой чипов друг на друга и их соединением.
Если же это будет выполнено, то количество слоев (чипов) может исчисляться десятками и сотнями, а количество слоев ячеек может достигать многих сотен. Возможную емкость подобных микросхем попробуйте посчитать самостоятельно.
Либо искать решение проблемы с травлением отверстия в многослойных кристаллах. В конце концов, подробностей о том, как выполнены представленные 64-слойные чипы, а также уже анонсированные 72-слойные, нет. Возможно, удалось все же найти разобраться с травлением, либо присутствуют какие-то другие решения.
В общем, в теории перспективы вполне радужные, что будет на практике?
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?
Заключение. 3D NAND – это то, с чем нам жить
Ни для кого не секрет, что за 3D NAND будущее, и в самом ближайшее время начнется (если уже не началось) активное вытеснение планарной памяти.
Все будет зависеть от стоимости решений, производственных возможностей производителей, в первую очередь Micron, Toshiba, и, возможно, SK Hynix, если дело двинется дальше анонсов. Про Samsung говорить нечего, т. к.
свои чипы 3D памяти они, фактически, никому не поставляют.
Думается, бюджетные SSD-накопители продержатся еще какое-то время, а вот производительные решения, и, в первую очередь, твердотельные диски, работающие на шине PCIe, будут активно мигрировать именно на 3D NAND.
НАКОПИТЕЛИ
|
SSD-диск Toshiba за $7000: 400 Гбайт, SAS 6 Гбит/с, SLC-память и максимальный ресурс
Добро пожаловать в мир накопителей enterprise-класса. Ставки здесь выше, чем в случае SSD для настольных ПК и лэптопов, и это не только слова.
Во многих серверах используются жёсткие диски с интерфейсом SAS, испытанные в самых тяжёлых условиях, однако внедрение технологии SSD сулит столь ощутимый выигрыш в производительности, что это никак нельзя оставить без внимания.
Переход на SSD может показаться затратной и не всегда обоснованной инвестицией, но в тех сферах использования, где основная нагрузка сводится к случайным операциям ввода/вывода, один-два твердотельных диска способны заменить целый RAID-массив на основе жёстких дисков: зачастую получается дешевле, чем соответствующий по производительности RAID-массив – как по стоимости самих накопителей, так и по затратам, связанным с обслуживанием сервера.
Когда речь идёт о настольных ПК, то существуют производители, которые предлагают лучшие конструктивные решения и используют качественную флэш-память, а есть такие производители, которые используют чуть ли не отходы производства.
Но когда мы говорим о корпоративных системах хранения данных, компромиссы между надёжностью и ценой недопустимы. Перезапись сотен, тысяч терабайт предполагает использование дорогостоящей памяти eMLC или SLC.
Производителей, которые предлагают накопители такого класса, можно пересчитать по пальцам.
Конечно, сам факт, что количество компаний, выпускающих SSD enterprise-класса столь ограничено не означает отсутствие жёсткой конкуренции.
Крупные предприятия покупают диски тысячами и могут раскошелиться на железо, которое обеспечит высокую производительность и надёжность.
Что касается Toshiba, то эта компания имеет богатый опыт в производстве жёстких дисков и флэш-памяти, и это даёт нам уникальный шанс оценить возможности, которыми располагают SSD enterprise-класса.
Мы рассмотрим эти возможности на примере флагманской серии MKx001GRZB. Данная серия включает модели ёмкостью 100, 200 и 400 Гбайт, которых отличают весьма продвинутые технические возможности, редко встречающиеся вместе: интерфейс SAS 6 Гбит/с и флэш-память SLC NAND.
| Спецификации Toshiba MKx001GRZB | |||
| MK1001GRZB | MK2001GRZB | MK4001GRZB | |
| Общий объём памяти | 128 Гбайт | 256 Гбайт | 512 Гбайт |
| Доступный объём памяти | 100 Гбайт | 200 Гбайт | 400 Гбайт |
| Общие характерисики | |
| Интерфейс SAS | 6 Гбит/с |
| Размер сектора | 512, 520, 528 |
| Последовательное чтение | 500 Мбайт/с |
| Последовательная запись | 250 Мбайт/с |
| Случайные операции по 4 кбайт (чтение) | 90 000 операций/с |
| Случайные операции по 4 кбайт (запись) | 16 000 операций/с |
| Потребление энергии (под нагрузкой) | 6,5 Вт |
| Гарантия | 5 лет |
По сравнению с тем, что мы привыкли видеть в спецификациях самых быстрых из современных SSD для настольных ПК, характеристики накопителей Toshiba серии MKx001GRZB не особо впечатляют, прежде всего в отношении последовательной и случайной записи.
Тем не менее, скорости чтения, в среднем, идут на равных с самыми быстрыми на сегодня дисками на базе MLC-памяти с интерфейсом SATA 6 Гбит/с (это означает, что по пропускной способности при чтении накопители приближаются к пределу возможностей обоих интерфейсов).
Что касается производительности случайного чтения, то можно встретить SSD, который обеспечивал бы свыше 80 000 операций в секунду. Таким образом, накопитель Toshiba обеспечивает здесь и вовсе выдающийся результат.
В дополнение к более высоким технических характеристикам, представители серии MKx001GRZB даже внешне не похожи на обычный твердотельный диск для настольного ПК в форм-факторе 2,5″.
Накопитель имеет высоту 15 мм – тот же форм-фактор, что и текущее поколение жёстких диском 2,5″ со скоростью вращения шпинделя 10 000 и 15 000 об/мин.
Как мы видим, для накопителя enterprise-класса допустимо обеспечить максимальную плотность накопителей в рамках занимаемого пространства.
Внутри более крупного корпуса Toshiba размещает пару плат, связанных между собой с помощью проприетарного разъёма. На одной из плат находится восьмиканальный SAS-контроллер Marvell 88SS9032-BLN2, кэш-память и шесть модулей SLC NAND.
На другой печатной плате размещены десять модулей SLC NAND и четыре плоских конденсатора большой ёмкости (на оборотной стороне).
Поскольку здесь используется более плотная и сложная конструкция, чем мы привыкли видеть в большинстве SSD, каждый компонент покрыт тепловой площадкой, отводящей тепло на металлический корпус накопителя.
В накопителях данной линейки используется память NAND, которая производится компанией Toshiba по 32-нм техпроцессу. В представленном на тестирование накопителе объёмом 400 Гбайт каждый модуль NAND имеет ёмкость 32 Гбайт.
Всего таких модулей 16, что даёт общую ёмкостью накопителя 512 Гбайт. Таким образом, для обеспечения «перекрытия данных» (overprovisioning) отводится 28% дискового пространства, что типично для накопителей данного класса.
Ресурс накопителя: MLC, eMLC или SLC?
Срок службы – термин, вокруг которого было много споров применительно к SSD, так как всех нас волнует, где же находится тот рубеж, пройдя который мы более не можем быть уверены в надёжном хранении данных. Если вы используете SSD в ноутбуке или обычном настольном ПК, срок службы диска не является столь серьёзной проблемой.
Маловероятно, что вы будете перезаписывать данные на диске целый день и каждый день, что могло бы привести к преждевременному износу ячеек памяти NAND, которые имеют ограниченный ресурс циклов перезаписи. Гораздо вероятнее столкнуться с ошибкой микропрограммы во время операции обращения к данным, но и такое встречается весьма нечасто.
25-нм память NAND от IMFT (Intel Micron Flash Technologies)
Но для накопителя enterprise-класса срок службы – намного более критичный параметр. В зависимости от интенсивности нагрузки на сервер, многие сервера постоянно читают или пишут данные – изо дня в день. На обычном жёстком диске надёжность определяют иные факторы: поломки почти всегда связаны с механикой.
Когда же дело доходит до SSD, критичным становится гарантированное число циклов перезаписи, которое приводит для своих продуктов каждый производитель чипов NAND.
Память eMLC и SLC обеспечивает максимальное количество циклов перезаписи, поэтому именно эти две разновидности флэш-памяти нашли применение в SSD-накопителях enterprise-класса.
Это не означает, что накопители на MLC-памяти не пригодны для профессионального использования.
Мы беседовали со специалистами из нескольких дата-центров, в которых накопители Intel X25-M и SSD 320 применяются в критичных с точки зрения надёжности условиях.
Но они используются таким образом, что ошибка или выход из строя одного из накопителей не приведет к потере данных. С другой стороны, эти диски не подвергаются столь же тяжёлым нагрузкам, на какие рассчитан накопитель Toshiba, о которым мы ведём речь.
Оценка ресурса твердотельного диска
Прежде чем перейти к количественной оценке ресурса (срока службы) флэш-памяти, выполненной по разным технологиям, мы хотел бы сказать несколько слов о нашей методологии.
Наши оценки основываются на мониторинге индикатора износа накопителя (Media Wear Indicator – MWI), который варьируется от 100 до 1.
Поскольку число циклов перезаписи каждой ячейки NAND ограничено, MWI позволяет получить грубую оценку текущего ресурса накопителя.
В теории, как только ресурс накопителя по счётчику MWI подойдёт к концу, перезапись ячеек памяти на таком накопителе может привести к ошибке.
Это не означает, что как только вы исчерпаете ресурс, при перезаписи произойдёт что-то нехорошее. Но никто не сможет доверить запись важных данных на диск, ресурс которого исчерпан.
Естественно, корпоративные клиенты уделяют значительное внимание оценке MWI, так как она позволяет ограничить некую «безопасную зону».
| Рейтинг ресурса накопителя (последовательная нагрузка, глубина очереди составляет 1) | Intel SSD 320 | Intel SSD 710 | Toshiba MK4001GRZB |
| Тип NAND | Intel 25 нм MLC | Intel 25 нм eMLC (HET) | Toshiba 32 нм SLC |
| Общая ёмкость накопителя | 320 Гбайт | 320 Гбайт | 512 Гбайт |
| Доступная ёмкость | 300 Гбайт | 200 Гбайт | 400 Гбайт |
| %% «перекрытия» (overprovisioning) | 7% | 60% | 28% |
| Количество циклов перезаписи | 5 460 | 36 600 | 225 064 |
| Количество циклов перезаписи (без учёта «перекрытия») | 5 119 | 22 875 | 175 831 |
| Объём операций записи на 1% от MWI | 16,38 Тбайт | 73,20 Тбайт | 900,2 Тбайт |
Согласно спецификациям Toshiba, модель MK100GRZB объёмом 100 Гбайт имеет рейтинг надёжности 8,2 Пбайт.
Каждый вендор использует собственный метод оценки долговечности, поэтому сложно сравнивать надёжность SSD между разными марками и моделями.
Наши значения предполагают последовательную нагрузку – таким образом, случайные операции игнорируются. Тем не менее, такой подход позволяет сделать хотя бы академическое сравнение между различными SSD и типами NAND.
Взглянем на цифры. Их вполне достаточно, чтобы отчётливо понять, почему SLC-память остаётся самым надёжным вариантом.
Да, это самый дорогой тип памяти, но он может предложить намного большее количество операций перезаписи по сравнению с памятью MCL.
Если не учитывать эффект «перекрытия», память SLC NAND Toshiba приближается к 175 000 циклов перезаписи, что в 58 раз выше по сравнению с 25-нм памятью Intel MLC NAND, имеющей около 5 000 циклов перезаписи.
Напомним, что количество циклов перезаписи относится к каждой ячейке флэш-памяти. Но поскольку SSD большего объёма включает большее количество чипов NAND (и, соответственно, намного больше ячеек памяти), запись каждой ячейки занимает больше времени.
В результате, накопители большего объёма отличаются более высоким рейтингом надёжности. Если посчитать, модель MK4001GRZB (400 Гбайт) позволяет последовательно записать 88 Пбайт данных. Это исключительно высокий показатель.
И, возможно, именно по этой причине Toshiba не приводит официальный рейтинг для накопителей объёмом более 100 Гбайт. Вместо этого модели ёмкостью 200 и 400 Гбайт идут с гарантией, что вы не будете испытывать проблем с ними на протяжении пяти лет (звучит, в самом деле, многообещающе).
|
Загрузка...
