Среднее время жизни ssd

V-NAND, 3D NAND, 3D TLC

При покупке или изучении SSD накопителей, вам могут встретиться эти обозначения, давайте разберемся, что они означают?

SLC, MLC, TLC и QLC это ячейки, расположенные в плоскости. Для увеличения памяти нужно большее количество кристаллов, но уменьшать их сложно, и неизвестно, оправдается ли уменьшение кристаллов с экономической точки зрения. Поэтому разработчики решили делать твердотельные накопители, размещая ячейки не только в плоскости, но и слоями. Из-за этого чипы будут трехмерными, как следствие, появится возможность помещения большего количества информации на такую же единицу площади. Такая флеш-память более долговечна, благодаря тому, что нет нужды в подаче высокого напряжения при записи данных в ячейку.

Первая компания, которая начала производство многослойной памяти – Samsung. В 2013 году они сообщили о первом выпуске трехмерных чипов MLC типа, под названием 3D V-NAND. В них содержалось 24 слоя. Через год число слоев увеличилось до 32, а тип памяти изменился на TLC. Технология, которую использовали Samsung сделала чипы памяти более экономичными, надежными и быстрыми.

Для создания многослойной памяти производители напыляют какое-то число слоев на кремниевую пластину, которые образовывают линии слов, и создают очень большое количество отверстий, для последующего формирования линий битов. Какой максимум слоев может быть нанесен? Из расчетов высоты 32-слойной V-NAND (4мкм) к высоте пластины (625-775мкм), можно создать более 190 слоев памяти. Это только теоретические расчеты, поэтому вряд ли такое значение будет достигнуто, но это показывает перспективы развития технологии 3D NAND.

Технологии продолжают развиваться. Год от года технология создания твердотельных накопителей улучшается. Их цена падает, а скорость и время работы растет. Хотя SSD все еще не заменили жесткие диски, можно сказать, что это технологии, которые будут развиваться и дальше еще долгое время.

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 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.

Какой SSD купить сейчас

В этой статье я упоминал новые SSD, выпущенные только изготовителями флэш-памяти. Именно они контролируют рынок твердотельных дисков, a объемы выпуска NAND при смене техпроцесса или технологии поначалу всегда ограничены.

300nm вафля Micron NAND, изготовленная по техпроцессу 16nm, обладает емкостью почти в 6TB

С другой стороны, повышение надежности и выносливости 2D NAND становится все более сложной задачей, и лучше с ней справляются фирмы, обладающие своим производством памяти и как минимум прошивками для контроллеров.

Соответственно я сформулировал рекомендации для трех основных категорий пользователей.

Энтузиасты (гики). Вы можете смело брать любой диск из старшей линейки предпочитаемого брэнда или из верхушки бенчмарков доверенной тестовой лаборатории. Производительность при серьезных нагрузках будет достойной, а выносливости и так хватает. При излишках RAM не стоит сбрасывать со счетов 850 EVO, для которого можно включить RAPID.
Обычные пользователи. Бояться TLC нет смысла, потому что «все мы там будем», да и 16nm MLC не слишком от нее отличается по выносливости. Можете покупать любой диск текущего или предыдущего года из младшей линейки изготовителей памяти.
Пользователи, панически боящиеся смерти SSD от износа флэш-памяти. От паранойи кардинально спасет только HDD. Твердотельное лекарство очень дорогое — MLC 3D NAND в корпоративном диске

Если смотреть на сочетание скорости и выносливости, то компьютерная индустрия пока еще размышляет над массовым внедрением интерфейса PCIe. Тот же Samsung 850 Pro с ним был бы просто зверь. Я думаю, что через несколько лет, когда накопители с 3D NAND и PCIe станут обычным делом, все волнения о производительности и выносливости SSD отойдут в прошлое (кроме заскорузлых мифов). Но SSD все равно остаются очень молодой технологией, поэтому скучно не будет!

Характеристики Kingston HyperX Fury 120 Гб

Техническими характеристиками коробка Kingston HyperX Fury 120 Гб не изобилует. Как было указано, на ней упомянуты только теоретические скорости и сравнение с обычным жестким диском. Поэтому для чтения спецификаций Kingston HyperX Fury 120 Гб мы вооружились маленькой и бесплатной, но весьма полезной утилитой SSD-Z.

Согласно данным программы, память Kingston HyperX Fury 120 Гб набрана 20-нанометровыми (не самыми новыми, но актуальными) чипами. Производитель чипов — компания Micron, сами кристаллы 128-битные. Используется флеш-память с ячейками MLC (2 бита на ячейку). Такое решение уступает в плотности записи и дешевизне чипам TLC, но предлагает более высокую надежность.

Контроллер в Kingston HyperX Fury 120 Гб — пресловутый SandForce SF2281. Этот чип особенный тем, что не нуждается в микросхеме оперативной кэш-памяти и умеет хорошо сжимать данные. Однако некоторые пользователи заявляют, что с производительностью могут быть проблемы. На самом деле — теоретически такое возможно, но если диск забит под завязку. Чтобы проверить, касается ли это тестируемого образца — далее мы проведем тест скоростных показателей полностью занятого файлами накопителя.

К компьютеру Kingston HyperX Fury 120 Гб подключается по шине SATA, которая обещает до 6 Гбит/с (750 Мб/с) на запись и чтение. На практике скорость данного интерфейса ограничивается примерно 550-600 Мб/с.

Устройство SSD

Плату SSD можно условно разделить на 3 основных блока:

3D NAND-память (не путать с NOR Flash). Эта часть используется для хранения данных в энергонезависимых блоках, которые не требуют постоянного питания от электросети.
DDR. Небольшое количество энергозависимой памяти, которой нужно питание для сохранения данных. Используется с целью кэширования информации для будущего доступа. Эта опция доступна не на всех накопителях.
Контроллер. Выступает в качестве посредника, соединяя 3D NAND-память и компьютер. Контроллер также содержит встроенное программное обеспечение, которое помогает управлять SSD.

NAND-память, в отличие от NOR, построена из множества ячеек, содержащих биты, которые включаются или выключаются за счет электрического заряда. Организация этих отключаемых ячеек представляет данные, хранящиеся на SSD. Количество битов в этих ячейках также определяется разновидностью памяти. Например, в Single Level Cell (SLC) ячейка содержит 1 бит. Накопители NOR обычно используются в сетевых устройствах.

Причина, по которой флешка SLC располагает малым объемом памяти, заключается в ее небольшом физическом размере по сравнению с другими элементами Printed Circuit Board (PCB). Не стоит забывать, что PCB включает контроллер, память DDR и 3D NAND-память, которые нужно как-то разместить внутри системного блока персонального компьютера. Память MLC NAND удваивает количество бит на ячейку, а TLC — утраивает. Это положительно сказывается на объеме памяти. Накопители NOR предоставляют доступ к случайной информации, из-за чего их не используют, как жесткий диск.

Есть определенные причины, по которым производители продолжают выпускать флеш-память с 1 битом на ячейку. Накопители SLC считаются самыми быстрыми и надежными, но они относительно дорогие и обладают ограниченным объемом памяти. Вот почему такое устройство наиболее предпочтительно для компьютеров, которые подвергаются сильным нагрузкам.

Что указывают в характеристиках SSD

Вам что-нибудь говорит эта картинка?

Может быть, так будет понятнее?

А если так?

Или все-таки лучше так?

Внешний вид и конструкция

SSD заключен в полностью металлический корпус темно-серого цвета с матовой и небрежно неровной поверхностью, пользующейся в последнее время повышенной популярностью у производителей при производстве премиальных девайсов.

На верхней стороне твердотельного накопителя наклеена технологическая наклейка, которая несет на себе информацию о модели накопителя, серии, рабочих характеристиках и объеме. Под наклейкой прячутся четыре винта, которыми соединены обе половинки корпуса.

Kingston FURY оснащен разъемом подключения SATA 6Gb/s, обратно совместимым с SATA 3Gb/s. Необходимые отверстия для крепления SSD в корпус системного блока присутствует как на боковой, так и на нижней части накопителя.

Отклеив наклейку на SSD и открыв крышку корпуса можно увидеть внутреннее устройство девайса. При производстве данного SSD использована печатная плата синего цвета. Основными элементами устройства, требующими внимания, являются контроллер накопителя и его память. В данном SSD главная управляющая роль отведена контроллеру LSI SandForce SF-2281, который обеспечивает работу твердотельного накопителя, а также поддерживает такие технологии как ECC, TRIM, NCQ, DuraWhite и RAISE.

Общая память устройства набрана 16-ю микросхемами FT16B08UCM1-34 производства Kingston, распаянных с обеих сторон печатной платы. Из полученного суммарно объема в 256Гб пользователю доступны только 240Гб. Остальная часть в 16Гб зарезервирована под внутренние служебные нужды накопителя, обеспечивающие выполнение алгоритмов по оптимизации работы и быстродействия SSD, а также влияющие на долговечность устройства.

3D NAND что это и стоит ли покупать

Для удовлетворения запросов на ёмкость SSD накопителей и чтобы при этом не страдала техническая часть с последующим уменьшением срока работы накопителя, производители стали уменьшать размер самих чипов памяти. Так они дошли до своего предела в 15-12 нм. Исчерпав возможность двигаться в этом направлении и увеличивать память за счёт количества хранения информации на ячейки, они решили изменить структуру их расположения. Так, появились многоуровневые флеш-памяти под аббревиатурой 3D NAND, то есть если ранее ячейки размещались в один слой, то теперь многослойно. Первая компания, которая выпустила трёхмерный чип памяти с трёхуровневыми ячейками, была Самсунг и назвала своё изобретение V-NAND, где V означало “вертикальный”. Другие производители также подхватили эту идею, и в итоге из-за трёхмерной структуры работы чипа памяти он получил название 3D NAND. В будущем планируется выпускать не только 3D V-NAND, но и 3D H-NAND (горизонтальный), так производители смогут ещё больше увеличить ёмкость памяти и срок использования.

Получается, что 3D NAND — это всё те же типы памяти MLC и TLC, только размещаются не одним слоем, а несколькими. Поэтому вы можете приобрести, например, 3D NAND TLC, который будет на голову выше флеш-памяти TLC, но количество хранения будет всё те же 3 Бита. Качественное улучшение произошло только за счёт увеличения количества транзисторов. И скорее всего выбор между 3D NAND TLC и 3D NAND MLC будет определяться личными предпочтениями. Интересно, что многие производители не спешат в характеристиках уточнять, с каким конкретно типом чипа по количеству хранимой информации та или иная модель, просто пишут 3D NAND.

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.

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.

Производители памяти NAND

Производителей флэш-памяти намного меньше, чем компаний, продающих SSD под своими брендами. В большинстве накопителей сейчас установлена память от:

Intel/Micron
Hynix
Samsung
Toshiba/SanDisk

Intel и Micron не случайно делят одно место в списке. Они производят NAND по одинаковым технологиям в рамках совместного предприятия IMFT.

На ведущем заводе в американском штате Юта одна и та же память выпускается под марками этих двух компаний почти в равных пропорциях. С конвейера завода в Сингапуре, который сейчас контролирует Micron, память может сходить также и под маркой ее дочерней компании SpecTek.

Казалось бы, при таком раскладе с памятью все должно быть просто. Однако существует несколько типов NAND, которые в свою очередь подразделяются по разным параметрам, внося путаницу.

Выбор подходящего SSD

На самом деле, разница между коммерческими и потребительскими накопителями настолько огромная, что ее сложно осознать. Команды разработчиков начали делать дорогие SSD для удовлетворения более высоких запросов, связанных с высокотехнологичной деятельностью, наукой и военными разработками, которые требуют постоянной обработки информации.

Серверы на больших предприятиях — это хороший пример использования дорогих флеш-накопителей, ведь они работают по 24 часа в сутки 5-7 дней в неделю. Вот почему они нуждаются в продолжительном жизненном цикле, быстром чтении/записи и повышенной надежности. Потребительские накопители являются урезанными версиями коммерческих. Они лишены определенных функций, но предлагают больший объем памяти. Кроме того, в мире наблюдается приятная тенденция к увеличению производительности бюджетных НАНД и снижению их стоимости.

Какой тип накопителя выбрать для себя? SLC или MLC и TLC? Можно сделать вывод, что память SLC или eMLC для обычного повседневного использования просто не нужна, так что нет никакого смысла тратить на нее круглую сумму денег. Если же выбирать тип памяти NAND из TLC или MLC, то здесь все будет зависеть от ваших финансовых возможностей.

TLC NAND — это самая бюджетная память, которая способна удовлетворить нужды большинства потребителей. MLC-память можно рассматривать, как более продвинутый вариант NAND-памяти для людей, готовых вкладывать в свой персональный компьютер большие средства. Он подойдет и для тех, кто планирует хранить свои данные в течение многих лет. Если на мониторе появилась надпись «NAND Flash was not detected», значит память, скорее всего, исчерпала свой ресурс и вышла из строя.

Память MLC NAND: асинхронная ONFi 1.0 против синхронной ONFi 2.х

Несмотря на то, что память с пропускной способностью до 200MB/s выпускается уже какое-то время, Intel и Micron не спешат отказываться от выпуска более старой и медленной памяти. Дело в том, что она дешевле, и это позволяет производителям SSD позиционировать накопители в разные сегменты рынка.

Давайте возьмем для примера спецификации двух твердотельных накопителей Corsair в том виде, как они опубликованы на сайте.

Все числовые показатели у них практически идентичны, разве что первый на йоту побыстрее и потребляет побольше энергии. На сайте не указано, но у этих накопителей еще и одинаковый контроллер SandForce-2281 (на что также намекает емкость 120 Гб).

В обоих накопителях установлена память Intel-Micron 25nm MLC NAND. Но в таблице выделено главное отличие: у первого накопителя эта память синхронная, а второго – aсинхронная!

В серии Vertex 4 используется синхронная память Intel Micron 25nm MLC, а в Agility 4 — асинхронная.

Почему SLC, MLC и TLC отличаются по выносливости

Эти аббревиатуры просто указывают на количество битов в транзисторе. В одной ячейке SLC хранится 1 бит, MLC – 2 бита, а TLC – 3 бита, но базовый принцип работы у всех трех типов памяти одинаковый.

Представьте себе кристалл плотностью 16Gbit (гигабит) NAND, т.е. состоящий из примерно 16 млрд транзисторов. Из него получится 16Gbit SLC, поскольку в ячейке 1 бит. Но можно сделать 2 бита на ячейку и получить уже 32Gbit MLC. А если сделать в ячейке по 3 бита, выйдет аж 48Gbit TLC NAND!

Micron TLC NAND

48 — неудобное число. Заметьте, что 16 и 32 представляют собой 24 и 25, но у двойки нет такой степени, чтобы получить число, кратное 3 . Поэтому TLC приходится подгонять под другие размеры из инженерных и маркетинговых соображений. Кристалл режут под 10.67Gbit, что при трех битах эквивалентно 32Gbit MLC NAND. Невелика беда, ведь по сравнению с MLC сэкономили 30% массива NAND!

Вы уже знаете, что программирование ячейки достигается изменением подаваемого на нее электрического напряжения. Я свел в таблицу типы памяти и допустимые состояния напряжений.

Тип NAND	SLC	MLC	TLC
Бит в ячейке	1	2	3
Число состояний	2	4	8
Состояния	0, 1	00, 01, 10, 11	000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111

SLC, с ее двумя состояниями, может выдерживать самые большие изменения в напряжении, прежде чем время стирания увеличится настолько, что контроллер отправит блок памяти в утиль по причине износа.

И это ключевой фактор, потому что всего несколько электронов могут определять разницу между запрограммированной и пустой ячейкой. Как следствие, этот тип памяти выдерживает самые маленькие изменения в напряжении.

Состояния напряжения разных типов NAND

Отсюда и вытекает разница между выносливостью SLC, MLC и TLC. Наибольшее количество (P/E) у SLC, затем идет MLC, а хуже всего дела обстоят у TLC. Кроме того, чем больше состояний напряжения приходится определять, тем выше вероятность ошибок, поэтому роль современных контроллеров в их коррекции (ECC) возрастает, хотя с этой задачей они успешно справляются.