Накопители нового поколения

Современный компьютер не может обойтись без твердотельного диска. Благодаря накопителям данного типа операционная система, приложения и игры работают заметно быстрее, чем если бы они были установлены на классический HDD. Последние все чаще применяются исключительно в роли запоминающего устройства для долговременного хранения больших объемов данных вследствие низкой цены гигабайта дискового пространства.

Современные SSD-носители с разъемом SATA ограничивают возможности микросхем флеш-памяти. Корпусы в 2,5 дюйма были разработаны для магнитных дисков, которые можно было бы использовать в тонких ноутбуках. Размер корпусов при этом соответствует вращающимся металлическим пластинам, данные с которых читает считывающая головка.

Встречающийся в современных компьютерах интерфейс SATA последнего поколения предусматривает пропускную способность до 600 Мбайт/с. А сами твердотельные накопители состоят из небольших горизонтально расположенных микросхем памяти.

Микросхема управления (контроллер) одновременно читает или записывает несколько ячеек одного твердотельного накопителя, и происходит это намного быстрее, чем когда данные пересылаются по SATA.

Скоро на материнских платах для ПК и ноутбуков появится новый разъем, который сможет действительно раскрыть потенциал технологии флеш-памяти и позволит совершить значительный рывок в увеличении пропускной способности до нескольких гигабайт в секунду. Станет возможным наращивание не только скорости передачи данных, но и плотности записи.

Из-за обвала цен на микросхемы памяти SSD объемом в 500 Гбайт станут общедоступны. А благодаря новой структуре ячеек флеш-памяти появятся доступные терабайтные SSD.

Высокая скорость

SSD нового поколения будут работать быстрее всех доступных сегодня на рынке устройств. Они станут подключаться к материнской плате по шине SATA Express (SATAe) — новому интерфейсу передачи данных, в котором будут использоваться как линии PCI Express, так и старые линии SATA для совместимости с накопителями предыдущих поколений.

Пропускная способность SATA не превышает 600 Мбайт/с, старого разъема PCIe 2.0 — 500 Мбайт/с на каждую линию, а для нового PCIe 3.0 этот показатель составляет 1 Гбайт/с на линию.

В порте, который служит для подключения SATAe SSD, задействованы как минимум две линии связи PCIe, поэтому скорость передачи данных по нему составляет не менее 1 Гбайт/с.

Однако SATAe — это не только новый разъем, но и обновление программного интерфейса. Из соображений совместимости SATAe под­держивает стандарт AHCI, который дебютировал еще в 2004 году и преимущественно ориентирован на работу с относительно медленными накопителями на основе магнитных дисков.

Новый стандарт NVM Express (Non-volatile memory) создавался с нуля с учетом особенностей функционирования твердотельной памяти. В нем существенно улучшен параллелизм, увеличено количество очередей и их длина, уменьшена вносимая контроллером задержка и т. д. Все это позволит полностью раскрыть потенциал твердотельных накопителей.

Новый форм-фактор для мобильных ПК

SSD с интерфейсом PCIe, скорость обмена данными с которыми достигает 4 Гбайт/с, уже применяются в серверах, однако за неимением соответствующих драйверов использовать их в ПК не представляется возможным. Исключение составляют решения вроде OCZ RevoDrive, которые приходится настраивать вручную.

Для типичного домашнего пользователя переход на твердотельные диски нового поколения начался с уст­ройств в новом форм-факторе M.2. Разъемом для их подключения уже оснащаются некоторые современные лэптопы и материнские платы для настольных ПК.

Накопитель в новом форм-факторе представляет собой печатную плату длиной от 30 до 110 мм и шириной 22 мм с микросхемами флеш-памяти и контроллером. В зависимости от того, какое устройство установлено в разъем M.2, передача информации может осуществляться как по линиям SATA 6 Гбит/c, так и PCIe (до четырех). Plextor M6e и Samsung XP941 — это первые SSD с интерфейсом М.2, задействующие линии PCIe.

К сожалению, на первых системных платах на базе чипсетов Intel H97 и Z97 под разъем M.2 отводится не более двух линий PCIe, что может замедлить работу некоторых моделей SSD, например, Samsung XP941.

Для достижения максимальной скорости потребуется приобрести либо SSD-адаптер для слота PCIe, либо системную плату ASRock Z97 Extreme6, которая может задействовать все четыре линии PCIe для M.2. Диски в 2,5-дюймовом форм-факторе, передающие данные по линиям PCIe через разъем SATAe, станут доступны позже.

Гигантские SSD с 3D-памятью

Уменьшение ячеек памяти позволяет увеличить плотность хранения данных. При этом снижается цена за гигабайт пространства. 2D-ячейки вряд ли могут быть уменьшены еще больше, поэтому производители обращаются к трехмерному типу ячеек.

Сегодня емкость доступных жестких дисков достигает нескольких терабайт, а SSD — всего 250–500 Гбайт. Но уже в скоро ситуация может кардинально измениться. Для этого нужно изменить размеры и структуру ячеек флеш-памяти. Популярные микросхемы флеш-памяти типа NAND выпускаются, как и транзисторы ЦП, на полупроводниковых пластинах и функционируют аналогичным образом.

Принципиальное отличие состоит в том, что ячейки флеш-памяти могут долго хранить электрический заряд на плавающем затворе. Ячейки до 20 нм технически возможны, однако с каждым этапом уменьшения размера ячеек затраты и издержки на производство увеличиваются, поэтому производители планируют перейти на другой тип ячеек — 3D NAND.

Сегодня емкость твердотельного накопителя — это вопрос цены. Емкость дисков Optimus Max производства SanDisk составляет 4 Тбайт, но покупать их могут только крупные компании, которые в состоянии платить сотни тысяч рублей за один носитель. Samsung и Toshiba идут другим путем: они выпускают накопители, ячейки которых могут хранить три бита информации (TLC, Triple-Level Cells).

Таким образом, ячейки памяти способны удерживать на плавающем затворе восемь уровней электрического заряда. Каждый уровень определяется комбинацией битов от 0 0 0 до 1 1 1.

Трехуровневая структура позволяет существенно увеличить плотность записи при одних и тех же размерах и цене по сравнению с одноуровневой (SLC), но выдерживает всего тысячу циклов перезаписи.

Samsung выпустила серверный TLC-диск PM853T, показатель DWPD (Diskful Writes per Day, количество перезаписей диска в день) которого составляет 0,3–1,6 перезаписей при гарантированном жизненном цикле в пять лет. Данный показатель для SLC-дисков серверного класса составляет в среднем от 10 до 30 перезаписей, поэтому PM853T лучше применять для хранения редко обновляемых и постоянно запрашиваемых данных.

Пределы двумерной флеш-памяти

Появление доступных и долговечных терабайтных SSD возможно только в случае дальнейшего уменьшения размеров ячеек памяти. Но при достижении 20 нм порога возникают дополнительные проблемы.

Для формирования в пластине полупроводника столь маленьких элементов используется лазер с длиной волны в 193 нм. «Выжигать» линии, которые меньше длины волны, возможно только при помощи масок и многократного облучения.

Кроме того, при столь тонких технологических процессах, как 20 нм, толщина некоторых структурных элементов ячеек памяти составляет всего несколько слоев атомов, и уменьшить их еще больше просто невозможно.

Ахиллесова пята находится между управляющим и плавающим затворами, и называется она изолирующим слоем (Interpoly Dielectric Layer, IPD). При записи информации на управляющий затвор подается напряжение, и между стоком и истоком транзистора возникает поток электронов. Некоторым электронам удается преодолеть слой изолятора благодаря большей энергии, и они попадают в плавающий затвор, где могут находиться довольно продолжительное время, пока к управляющему затвору не будет приложено большое отрицательное напряжение, а электроны перетекут на исток (процедура перезаписи).

Слой изоляции необходим для того, чтобы плавающий затвор сохранял заряд между процессами записи и чтения, то есть хранил данные. Толщина изолирующего слоя должна быть не менее 10 нм, иначе электроны из плавающего затвора будут утекать через исток, и ячейка утратит способность хранить данные.

Чем меньше ячейки флеш-памяти, тем меньше расстояние между ними. Если плавающие затворы соседних ячеек расположены друг к другу ближе 20 нм, толщину изолирующего слоя нужно увеличить во избежание утечки электронов из одной ячейки в другую. Даже при решении всех проблем с производством вопрос уменьшения толщины изолирующего слоя и расстояния между плавающими затворами остается открытым, потому выигрыш в плотности записи данных при техпроцессе от 21 до 12 нм (в зависимости от материалов) будет несущественным.

Трехмерные ячейки повысят емкость

Если ячейки флеш-памяти располагать не в одной плоскости, а использовать трехмерную структуру, можно добиться большей плотности хранения данных.

Ограничения возможностей 2D NAND можно преодолеть другим способом: не располагать ячейки в одной плоскости, а упаковать их в трехмерную структуру — чем больше слоев, тем выше плотность записи.

В этом году Samsung представила свой концепт трехмерной памяти V-NAND, которая включает 24 слоя ячеек флеш-памяти. У большой многослойной структуры с вертикальным расположением ячеек свои преимущества: V-NAND использует небольшое напряжение и выдерживает 35 000 циклов перезаписи. Как заявляет Samsung, скорость записи также увеличилась.

Производитель планирует к 2018 году увеличить плотность чипов с 128 Гбит до 1 Тбит, что станет возможным при увеличении количества слоев.

Чисто технически V-NAND мало чем отличается от технологии Bit-Cost Scalable Flash (BiCS) разработки To­shiba. BiCS удерживает электрические заряды на записываемом слое из нитрида кремния, окруженного двумя слоями окисной пленки. Ячейку окружает управляющий затвор, выводящий электрический заряд со слоя, на который производится запись.

Принцип работы V-NAND такой же, но материалы слоев принципиально другие: записывающий слой окружен не пленкой на основе окиси кремния, а алюминиевым диэлектриком, выполненным по технологии high-k. Использование нитрида тантала в управляющем затворе, по заявлению Samsung, позволяет быстрее стирать ячейки. Новые материалы обеспечивают большее расстояние между уровнями заряда, что продлевает срок службы памяти.

Отраслевые источники утверждают, что себестоимость трехмерного 40-слойного чипа памяти такая же, как двумерного, а это означает, что SSD емкостью в несколько терабайт наконец-то станут доступными.

Фотографии в статье: компании-производители; Klaus Satzinger ИНФОГРАФИКА: Veronika Zangl