Новейшие технологии в SSD c 3D NAND-памятью

SSD и NAND памятью доминируют над продажами классических HDD. Постепенно HDD будут вытеснены облачными сервисами и быстрыми SSD. Способствует этому постоянная гонка вооружений в сфере технологий 3D NAND. За пять лет SAMSUNG, Hynix, Micron, Toshiba и Intel добились впечатляющих результатов.

Первым шагом на пути к увеличению емкости твердотельных накопителей стала массовая реализация 3D NAND, начавшаяся несколько лет назад. Она подразумевает расположение ячеек не планарно, как это было принято долгое время, а еще и вертикально, послойно, чтобы чип получил трехмерную структуру. Представленная на конференции оптимизация 3D NAND может создать условия для того, чтобы сформированные из кремниевой пластины кристаллы, которые являются основой для изготовления микросхем флеш-памяти, постепенно вытесняли жесткие магнитные диски, в которых информация записывается на вращающиеся алюминиевые пластины.

Затишье в развитии HDD

На конференции, состоявшейся в начале августа, были представлены твердотельные накопители емкостью от 30 до 50 Тбайт, а Samsung даже анонсировала 128-терабайтный. А максимальная емкость жестких дисков составила всего 12 Тбайт. В настоящее время накопители до 14 Тбайт выпускаются в форм-факторе 3,5 дюйма. Техническое развитие накопителей на жестких магнитных дисках переживает застой. Новые технологии, анонсированные несколько лет назад, например, термоассистируемая магнитная запись (Heat-assisted magnetic recording), обещающая удвоить плотность записи, все еще не готовы выйти на рынок.

Принцип технологии HAMR состоит в локальном нагревании лазером дорожки на металлической пластине, благодаря чему создается возможность перемагничивать более короткие отрезки, чем это было возможно раньше. Но, как уже было сказано, это пока еще обещания. А динамическая отрасль производства флеш-памяти переживает период высокой скорости развития.

Один из результатов такой динамичности Samsung представила на конференции: твердотельный накопитель формата Next Generation Small Form Factor (NGSFF) емкостью 16 Тбайт в виде небольшой пластины длиной в десять сантиметров. Правда, рядовым пользователям о такой памяти придется только мечтать, поскольку она стоит небольшое состояние и рассчитана для использования в дата-центрах. По цене же на один гигабайт преимущество по-прежнему за жесткими дисками.

Сдвиги в сфере производства памяти

Тем не менее выступление на конференции специалистов в сфере технологий памяти вызвало вопрос: не истекает ли время магнитных дисков? В этом духе, например, выразился Керри Манс, отвечающий за разработку твердотельных накопителей в Micron.

«Благодаря нашей новой памяти накопители на дисках перестанут быть нужны»

Вице-президент Micron Technology, руководитель отдела разработок, Керри Манс

Показательно также, что два крупных производителя накопителей на жестких магнитных дисках — Western Digital и Seagate — уже несколько лет пытаются укрепиться на рынке твердотельных носителей.

Новейшие технологии в SSD c 3D NAND-памятью — Динамика продаж классических жестких дисков и SSD

Недавно некий инвестиционный консорциум при участии Seagate и Hynix выкупил у Toshiba подразделение по производству чипов флеш-памяти, причем в ущерб Western Digital. Последняя до этого сотрудничала с Toshiba в разработке новой технологии флеш-памяти.

На конференции компания Seagate представила статистические данные, согласно которым в будущем доля вложений дата-центров в жесткие диски составит всего пять процентов. По прогнозам аналитиков Garnter, для насыщенного рынка ПК ежегодный темп роста в течение следующих пяти лет для твердотельных накопителей составит двадцать процентов. В таком же соотношении жесткие диски будут сдавать свои позиции на рынке. Этот процесс ускорится, если сбудется еще один прогноз, согласно которому в течение следующих пяти-шести лет твердотельные накопители подешевеют на 75% в расчете на один гигабайт.

Флеш-память в третьем измерении

В следующем году станет ясно, какие последствия будет иметь переход на трехмерную структуру флеш-памяти. В настоящее время падения цен на флеш-память по-прежнему не наблюдается. Это, с одной стороны, объясняется высоким спросом, а с другой — тем, что производители вынуждены финансировать все еще продолжающийся переход на производство 3D NAND. 2D NAND в настоящее время по-прежнему реализуется, но с технической точки зрения она достигла своих пределов.

Преодолеть технические лимиты флеш-памяти

В принципе, ячейки двухмерной флеш-памяти состоят из самых обычных транзисторов, из которых, например, собираются процессоры для ПК. Кроме того, у ячейки памяти есть плавающий затвор (floating gate), который обладает способностью удерживать электроны в течение длительного времени. Величина заряда на плавающем затворе определяет, какой бит хранит ячейка памяти. Простой пример: нет заряда — значение «1», полный заряд — значение «0». Но сохранение заряда может быть значительно более сложным процессом, поскольку существует более сложные типы ячеек, которые способны сохранять до четырех бит. Чтобы увеличить плотность записи, двухмерные ячейки флеш-памяти в 16 нм нужно еще больше уменьшить, а это процесс трудоемкий, тем более что вместе с этим значительно вырастут затраты на производство.

Решение послойно располагать ячейки флеш-памяти положило конец дорогостоящим разработкам. Сейчас главным становится вопрос увеличения количества слоев в стеке. Чипы первого поколения 3D NAND, выпущенные Samsung в 2012 году, насчитывали 24 слоя ячеек. Первые твердотельные накопители, реализовавшие 3D NAND, получили 32 слоя, на современных же твердотельных накопителях их 48. В июле Intel представила первый SSD серии 545s, выполненный по технологии 3D NAND с 64 слоями ячеек. Лидер рынка Samsung не собирается отставать и во втором полугодии представит свой вариант 64-слойной трехмерной памяти.

6 Гбит на один квадратный миллиметр

Изменить
Тип флеш-памяти	Плотность записи	Пример накопителя	Выход на рынок
Двухмерная структура (16 нм TLC)	1,11 Гбит/мм2	Samsung 750 Evo	апрель 2016 г.
Трехмерная структура 32 слоя	1,86 Гбит/мм2	Samsung 850 Evo	декабрь 2014 г.
Трехмерная структура 48 слоев	2,56 Гбит/мм2	Samsung 850 Pro	март 2016 г.
Трехмерная структура 64 слоя	3,97 Гбит/мм2	Samsung 9xx Pro	январь 2018 г.

Метод послойного расположения ячеек не стоит на месте. В следующем году 96 слоев станут нормой — Samsung и Toshiba, оба крупнейших производителя флеш-памяти, уже объявили о переходе на новую технологию. Плотность хранения данных значительно превысит 6 Гбит на один квадратный миллиметр. Тем не менее специалисты в области производства флеш-памяти предполагают, что дальнейшее развитие технологии размещения ячеек памяти в стеки в кремниевом кристалле будет идти трудно.

«Техническая сложность состоит в том, чтобы равномерно формировать отверстия на всю глубину слоев. Только таким образом можно обеспечить одинаковую производительность для всех ячеек памяти»

Руководитель отдела разработки Toshiba, Джефф Ошим.

А вот специалист Lam Research считает, что реально разместить более ста слоев в стек. Lam Research разрабатывает аппараты, с помощью которых протравливаются равномерные отверстия в кремниевой подложке.

Но производители флеш-памяти не только располагают отдельные ячейки слоями один над другим, чтобы сформировать блок 3D NAND. Они еще и упаковывают в стек эти блоки. То есть плотность записи увеличивается еще в несколько раз. Для соединения отдельных слоев блоков и слоев кристаллов производители вот уже несколько лет используют метод проводной обвязки wire-bonding. В настоящее время таким способом соединяют 8 или 16 кристаллов.

4 Тбайт на одной микросхеме памяти

На конференции Samsung анонсировала твердотельный накопитель емкостью 128 Тбайт, в котором в один стек будет паковаться до 32 кристаллов — и это будет новый рекорд. На площади размером с ноготь пальца можно будет сохранить до 4 Тбайт данных. Для соединения кристаллов будет использоваться метод wire-bonding: тонкая проводная обвязка будет соединять торцы кристаллов с платой. Но и у этого метода есть свои пределы: он требует много энергии и площади. Кроме того, он подвержен ошибкам в том, что касается целостности сигнала, и чем больше слоев в стеке, тем больше этих нежелательных явлений.

Toshiba же выбрала другой способ соединения и в начале июля впервые представила чипы, в которых используются межслойные соединения Through Silicon Via. Все слои кристаллов для связи используют вертикальные электроды, что позволяет снизить потребляемую мощность вдвое и в то же время повысить скорость передачи данных. В представленных Toshiba микросхемах насчитывается 8 и 16 вертикально расположенных кристаллов NAND, соединенных с помощью TSV, в будущем компания намерена увеличить количество слоев до 32.

Революция ячеек флеш-памяти

Чтобы продолжать повышать плотность хранения данных на твердотельных накопителях, производители возвращаются к старому проверенному методу. Теперь ячейки флеш-памяти могут хранить четыре бита — до сих пор фактически было возможно использовать не более трех битов. Такое повышение тесно связано с переходом с 2D на 3D NAND: ячейки 3D могут хранить больше битов и переживают больше циклов перезаписи.

Несколько битов в одной ячейке

Для того чтобы сохранить некоторое количество определенных битов информации в ячейке, используются отдельные значения напряжения, соответствующие отдельным уровням заряда. Уровень заряда зависит от количества электронов, попадающих в плавающий затвор. Тут возникает проблема: чем чаще записывается ячейка флеш-памяти, тем ненадежнее работает плавающий затвор, поскольку непроводящий слой вокруг затвора истончается и перестает полноценно выполнять свою задачу.

Если ячейка флеш-памяти представляет только один бит, то проблема небольшая, поскольку такая ячейка содержит только два уровня заряда для логических значений «0» и «1». Такая ячейка, называемая одноуровневой (Single-level cell), выдерживает примерно 100 000 циклов перезаписи. Для достижения более высокой плотности хранения данных производители преимущественно используют технологию Triple-level cell («трехуровневая ячейка»): ячейки должны позволять корректно хранить восемь уровней заряда для хранения трех битов. TLC с двухмерной флеш-памятью выдерживает около 1000 циклов перезаписи. Столь низкое значение тоже связано с тем, что производители для повышения плотности записи все уменьшали структуры двухмерной флеш-памяти. Из-за такого процесса уменьшения до нынешнего размера в 16 нм уменьшилось и максимальное количество электронов, которые может принимать плавающий затвор. В результате уровни заряда теснее сдвигаются друг к другу, что приводит к повышению вероятности появления ошибок.

Четырехуровневые ячейки в трех измерениях

И тут на сцене появляется трехмерная флеш-память. Трехмерная ячейка больше двухмерной — 50–70 нм в поперечнике. А значит, она может вмещать больше электронов, благодаря чему более надежна. Samsung заявляет, что ее новая 64-слойная память 3D NAND способна выдержать не менее 7000 циклов перезаписи. Toshiba пошла еще дальше и первой из производителей флеш-памяти представила чипы 3D NAND с 16 уровнями заряда на ячейку — Quad-level cells, которые хранят четыре бита. По расчетам Toshiba, эти ячейки должны выдержать в целом тысячу циклов перезаписи, чего для многолетней работы накопителя на ПК более чем достаточно.

Также Samsung и Micron в 2018 году планируют вывести на рынок накопители на QLC 3D NAND с 96 слоями ячеек. Это значит, что представленные в статье новинки, возможно, и разрабатываются для рынка серверов, однако это не помешает им быстро найти себе место и в производстве твердотельных накопителей для потребительского рынка. Исключение, пожалуй, составят TSV-чипы, поскольку их производство относительно дорого и они предназначены для больших высокоскоростных накопителей, используемых в дата-центрах.

Тем не менее появление представленных здесь инновационных технологий вовсе не означает, что скоро накопители на магнитных дисках перестанут выпускаться, поскольку в обозримом будущем суммарных объемов производства твердотельных накопителей попросту не хватит для того, чтобы утолить постоянно растущую жадность к данным в эпоху цифровых технологий — и в особенности поставщиков облачных сервисов. Но если пользователю ноутбука или домашнего ПК нужна память от 4 до 8 Тбайт, он может уже мысленно попрощаться с накопителем на жестких магнитных дисках. И тогда — здравствуй, SSD!