Эволюция носителей информации, часть 4: твердотельные накопители
Всем привет! Это заключительная часть нашего материала об эволюции носителей информации. И сегодня речь пойдет о флеш-памяти и твердотельных накопителях — об их прошлом, настоящем и будущем.
Флеш-память была создана задолго до появления первого флеш-накопителя. Отцом флеш-памяти считается инженер компании Toshiba Фудзио Масуока, чье изобретение было представлено в 1984 году на конференции IEEE в Сан-Франциско. Кстати, само название «flash» придумал коллега Масуоки — Сёдзи Ариидзуми. Процесс удаления данных из такой памяти напомнил ему фотовспышку (от англ. flash — вспышка).
В основе работы флеш-памяти лежит изменение и регистрация электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Существует несколько типов флеш-памяти. Первым коммерческим продуктом стала флэш-память типа NOR, которую разработала компания Intel. Это случилось в 1988 году.
В конструкции NOR-флеш используется классическая двухмерная матрица проводников, в которой на пересечении строк и столбцов располагается одна ячейка. Преимущество такого дизайна состоит в том, что он позволяет моментально читать состояние конкретной ячейки, подавая положительное напряжение на соответствующую строку и столбец.
В 1989 году компания Toshiba представила флеш-память типа NAND. Главным отличием NAND-флеш от NOR-чипов заключалось в том, что в конструкции NAND использовался трехмерный массив, а не двухмерная матрица. Другими словами, если в NOR на пересечении строк и столбцов располагалась только одна ячейка, то в NAND их могло быть несколько.
Естественно, так же легко получить доступ к конкретной ячейке, как в NOR, теперь было невозможно, и алгоритм чтения информации значительно усложнился. Тем не менее такой подход позволил создать более вместительные чипы памяти. В современных флешках и твердотельных накопителях используется именно NAND-память. Ну, а NOR-чипы нашли применение в тех областях, где ёмкость не играет ключевую роль — например, в автомобильной электронике.
Долгое время элементарная ячейка могла хранить лишь один бит информации. Такая ячейка называется одноуровневой (SLC, single-level cell). Затем появились многоуровневые ячейки с двухбитной разрядностью (MLC, multi-level cell). Наконец, были разработаны трехуровневые ячейки памяти (TLC, triple-level cell). Такие ячейки выгодно отличаются от MLC своей дешевизной. Так, стоимость 1 Гбайт TLC-памяти в 2015 году составила всего $0,4. Обратной стороной памяти с трехуровневыми ячейками является её низкая скорость записи и меньший в сравнении с MLC ресурс.
Однако вернемся к твердотельным накопителям. Как это ни странно, но первый SSD-девайс был представлен в 1976 году — на 8 лет раньше, чем флеш-память. Он был разработан компанией Dataram и носил название Bulk Core.
Многие ошибочно полагают, что в основе любого SSD-накопителя лежит флеш-память, однако это не так. Свое название SSD (Solid State Drive) они получили потому, что в их конструкции не было подвижных элементов.
Конструкция Bulk Core состояла из специального шасси размером 19×15,75 дюймов и расположенных на нем 8 планок RAM-памяти объемом 256 Кбайт каждая. Таким образом, емкость устройства составляла 2 Мбайт. Приобрести Bulk Core можно было за $9700.
Спустя 2 года с момента появления Bulk Core последовал выпуск устройства под названием STC 4305. Накопитель был разработан компанией StorageTek. STC 4305 был размером с целую комнату и мог хранить 45 Мбайт информации. Пропускная способность составляла 1,5 Мбайт/с, что было примерно в 7 раз выше аналогичного показателя жесткого диска IBM 2305. Но и цена инновационного SSD-накопителя была соответствующей: STC 4305 оценивался в $400 тыс.
В 1982 году компания Axlon представила линейку твердотельных накопителей, предназначенных для использования с компьютерами Apple. Устройства получили название Apple II RAMDisk. Из названия становится ясно, что эти накопители использовали RAM-память. Их емкость была не столь внушительна: самой популярной стала версия с 320 Кбайт памяти. Кстати, чтобы предотвратить потерю информации, в комплекте с накопителем поставлялась и подзаряжаемая батарея.
В 1988 году компания Intel представила первые коммерческие чипы флэш-памяти типа NOR. Именно они использовались в первом SSD-накопителе с флеш-памятью — Flashdisk, который был разработан компанией Digipro и выпущен в конце 1988 года. Flashdisk предназначался для использования в компьютерах IBM PC и мог хранить до 16 Мбайт данных. На тот момент стоимость накопителя составляла $5000.
Годом позднее израильская компания M-Systems также представила SSD-накопитель на основе NOR флеш-памяти, но это был только опытный образец. Долгое время израильские инженеры дорабатывали устройство, и только в 1995 году компания сумела выпустить коммерческий SSD-накопитель. Это была модель FFD-350 (Fast Flash Disk), выполненная в привычном для нас форм-факторе 3,5». Максимальный объем накопителя составлял 896 Мбайт, хотя выпускались даже 16-мегабайтные версии. Работал FFD-350 через интерфейс SCSI. Стоимость такого устройства достигала нескольких десятков тысяч долларов, поэтому FFD-350 нашел применение только в авиационной и военной отраслях. На протяжении следующего десятилетия M-Systems расширяла линейку устройств FFD, выпуская новые накопители с улучшенными характеристиками.
Долгое время флеш-память была достаточно дорогим удовольствием. Однако в начале 2000-х годов стоимость её производства значительно упала. Этим воспользовалась компания Transcend, которая в 2003 году выпустила модули флеш-памяти, подключаемые через интерфейс Parallel ATA. Емкость такого накопителя составляла от 16 до 512 Мбайт. Цены на эти устройства начинались от отметки $50, что сделало модели Transcend доступными для обычных пользователей.
Начало бурному росту рынка твердотельных накопителей положила компания Samsung, выпустив в 2006 году 2,5» накопитель емкостью 32 Гбайт и стоимостью $699. Её примеру последовала и компания SanDisk, представившая 32-гигабайтный 2,5» накопитель с интерфейсом SATA.
Кроме этого, в 2006–2007 годах наконец-то удалось решить проблему малого количества перезаписей флеш-памяти. Это позволило рассматривать твердотельные накопители как полноценную альтернативу жестким дискам.
В последующие годы рынок SSD-накопителей стремительно развивался. Выпуском устройств занялось огромное количество производителей. Так, компания OCZ впервые показала твердотельные накопители собственного производства на выставке CES в начале 2008 года.
Стремительно росли и характеристики накопителей: они становились все более вместительными и быстрыми. В связи с этим многие производители задумались о переходе на более быстрый интерфейс. Так появились первые SSD-накопители с интерфейсом PCI Express, в частности, Fusion-io ioDrive Duo.
На сегодняшний день вопрос об интерфейсе стоит особенно остро. Главная проблема интерфейса SATA состоит в том, что производительность современных твердотельных накопителей стала настолько высока, что пропускной способности этой шины (а она составляет 600 Мбайт/с) попросту не хватает для того, чтобы полностью раскрыть потенциал SSD-девайсов. Для сравнения: только две линии PCI Express 3.0 обеспечивают эффективную пропускную способность 1560 Мбайт/с, что почти в 3 раза выше аналогичного показателя SATA.
Вместе со сменой интерфейса планируется и переход на новый протокол NVMe, который должен заменить устаревший AHCI. Использование NVMe позволит снизить латентности и обеспечит более быструю реакцию накопителя на команды, поскольку протокол изначально «заточен» под многопоточную работу с данными.
Многие ожидали, что именно в 2015 году состоится массовый переход от интерфейса SATA к PCI Express, однако этого не произошло. Внедрению новых технологий производители предпочли ценовую войну, результатом которой стало достижение рекордно низкой стоимости 1 Гбайт флеш-памяти — $0,4.
2015-й год также ознаменовал собой начало перехода на технологию трехмерной памяти 3D V-NAND (Vertical NAND). Её суть заключается в том, что ячейки памяти располагаются не только планарно, но и слоями. Это позволяет увеличить емкость, не изменяя при этом индивидуальных размеров ячеек памяти. Интересен тот факт, что производство флеш-памяти 3D V-NAND не требует использования новейших технологических процессов. Например, компания Samsung использует в производстве 3D V-NAND 40 нм техпроцесс. Объем чипов Samsung достигает 256 Гбит, при этом ячейки расположены в 48 слоев.
К сожалению, на сегодняшний день Samsung — единственная компания, имеющая в своем арсенале твердотельные накопители, использующие данную технологию. Тем не менее, в наступившем году у южнокорейской компании обязательно появятся конкуренты. О своих планах по выпуску 3D V-NAND памяти объявили альянс Micron и Intel, компании SK Hynix и Toshiba. Причем в производстве многослойной TLC флеш-памяти Toshiba будет использовать собственную технологию 3D BiCS NAND (Bit Cost Scalable), которая позволит сделать чипы меньше и дешевле конкурентов.
Кроме этого, не стоит забывать и о том, что в 2016 году должна увидеть свет новая технология 3D XPoint, разработанная все тем же альянсом Micron Intel. Информации о технологии пока что не так много.
По словам разработчиков, в основе технологии будет лежать изменение сопротивления материала, располагающегося между проводниками, что обеспечит памяти сверхвысокую скорость чтения и записи. Помимо всего прочего, они обещают, что память 3D XPoint будет в 1000 раз устойчивее к износу, а также при использовании PCI Express и протокола NVMe будет обладать в 10 раз меньшей латентностью, чем флеш-память NAND. Устройства с памятью 3D XPoint получат название Intel Optane и будут использовать в центрах обработки данных.
На этом мы завершаем наш цикл статей об эволюции носителей информации. Но впереди будет еще много интересного! Следите за обновлениями.
