Эволюция твердотельных накопителей: от первых моделей 70-х до наших дней
В октябре 2016 года мы представили сразу две линейки 2.5-дюймовых твердотельных накопителей: WD Blue и Green SSD. В любой другой индустрии подобный шаг мог показаться достаточно рискованным даже для такой корпорации, как Western Digital. Действительно, продвижение новинки в нише, где уже давно определены сферы влияния, в большинстве случаев оборачивается крупными финансовыми затратами и редко приводит к положительным результатам. Однако рынок SSD имеет свою специфику, открывая широчайшие возможности для конкурентной борьбы, что обусловлено как технологическими особенностями, так и рядом исторических предпосылок. Именно об истории возникновения твердотельных накопителей мы и поговорим сегодня.
Пионеры SSD — быстро, дорого, не для всех
Строго говоря, SSD появились задолго до изобретения флэш-памяти. Ведь что такое, по сути, Solid State Drive? Это накопитель информации, который не содержит каких-либо механических компонентов. Таким образом, самым первым в мире SSD можно назвать творение корпорации Dataram с гордым названием Bulk Core, представленное в 1976 году. Стальное шасси габаритами 19 на 15.75 дюймов содержало 8 планок энергозависимой RAM-памяти, каждая из которых имела объем 256 килобайт. Девайс размером с хороший UPS (и, благодаря наличию резервных аккумуляторов, соответствующим весом) стоил на старте 9700 долларов США. Устройства нашли применение в промышленности и наукоемких отраслях, однако из-за дороговизны и ненадежности (все же риск потери данных был чрезвычайно велик) так и не стали массовыми.
Dataram Bulk Core — самый первый SSD
Тем не менее всего через 6 лет компания Axlon предприняла попытку завоевать уже потребительский сегмент, выйдя на рынок с внешним накопителем RAM Disk, разработанным специально для выпущенных в 1982 году персональных компьютеров Apple II. Новинка несла на борту 320 килобайт RAM, имела размеры, сопоставимые с современными компактными NAS и оснащалась аккумуляторными батареями, обеспечивающими 3 часа автономной работы на случай перебоев энергоснабжения.
Рекламная брошюра Axlon RAM Disk призывает «прокачать» ваш Apple II
О том, насколько популярным стало такое решение можно догадаться, взглянув на цены: на старте продаж прибор стоил 1400 долларов, при этом сам Apple II в модификации с 4 килобайтами ОЗУ на тот момент обошелся бы вам в 1298 долларов. Пускай встроенной постоянной памяти данный ПК имел также 4 килобайта, возможность подключения кассетного магнитофона, а впоследствии и 5.25-дюймовых дисководов с лихвой компенсировали этот недостаток. В то же время, непомерный ценник и риск утраты всей информации делали RAM Disk малопривлекательным для конечного потребителя, тем более что большинству пользователей дополнительная скорость чтения/записи оказалась попросту не нужна.
Изобретение flash-памяти — новая эпоха в развитии SSD
Все перечисленные выше устройства были нерентабельны вследствие высокой стоимости, ненадежны из-за потребности в постоянном источнике питания и излишне громоздки в силу конструктивных особенностей. Иными словами, твердотельные накопители прошлого оказались лишены всех преимуществ современных моделей, что и объясняет их фиаско. Для создания же действительно революционного решения требовалась принципиально новая технология, которая появилась лишь в середине 80-х с изобретением флэш-памяти.
Полупроводниковые запоминающие устройства существовали и ранее: первый EPROM был создан Довом Фроманом еще в 1971 году, однако подобные чипы не годились на роль даже съемного накопителя. Все дело в том, что процедура стирания информации осуществлялась посредством прямого облучения матрицы транзисторов ультрафиолетовой ртутной лампой, для чего в корпусе даже присутствовало небольшое окошко из кварцевого стекла, располагавшееся непосредственно над чипом. Более совершенные EEPROM представляли собой уже электрически стираемые ПЗУ, однако для реализации этой возможности в стандартную ячейку пришлось внедрить второй транзистор, управляющий режимами записи и стирания. Из-за этого площадь разводки компонентов матрицы (а значит, и самого чипа) заметно увеличивалась, и в результате приходилось жертвовать компактностью устройств.
Поэтому основные научные изыскания велись в области создания микросхем с более плотным размещением цепей стирания. И таковые увенчались успехом в 1984 году, когда Фудзио Масуока, работавший в корпорации Toshiba, представил прототип энергонезависимой флэш-памяти на международной конференции International Electron Devices Meeting, проходившей в стенах Института инженеров электротехники и электроники (IEEE).
Фудзио Масуока, изобретатель флэш-памяти
Само название придумал его коллега, Седзи Ариидзуми, сравнивший процесс стирания данных со вспышкой молнии. В отличие от EEPROM, флэш-память была основана на МОП-транзисторах с дополнительным плавающим затвором, расположенным между p-слоем и управляющим затвором, что позволило создавать действительно миниатюрные чипы.
Первыми коммерческими образцами флэш-памяти стали микросхемы Intel, выполненные по технологии NOR (Not-Or), производство которых было запущено в 1988 году. Матрицы данного типа представляли собой двумерный массив, в котором каждая ячейка памяти находилась на пересечении строки и столбца (соответствующие проводники подключались к разным затворам транзистора, а исток — к общей подложке). Однако уже в 1989 году Toshiba представила флеш-память NAND. Массив имел аналогичную структуру, но в каждом его узле вместо одной ячейки теперь располагалось несколько последовательно включенных. Кроме того, в каждой линии использовалось два МОП-транзистора — управляющий, расположенный между разрядной линией и столбцом ячеек, и транзистор заземления.
Более высокая плотность компоновки помогла увеличить емкость чипа, но при этом усложнился и алгоритм чтения/записи, из-за чего пострадала скорость обмена информацией. В связи с этим новая архитектура не смогла полностью вытеснить NOR, нашедшую применение в создании встраиваемых ПЗУ, тогда как NAND использовали при изготовлении портативных накопителей (USB-флэшек, SD-карт). К слову, производство последних стало возможным лишь в 2000 году, когда стоимость флэш-памяти достаточно снизилась и подобные устройства могли окупиться, а первой «ласточкой» стала модель DiskOneKey от IBM, объем которой составлял всего 8 мегабайт. Немного, однако не будем забывать, что миниатюрный девайс размером с брелок успешно заменял собой восемь 3.5-дюймовых дискет.
Флэшка IBM DiskOneKey
Поскольку выпуск флэш-чипов является технологически сложным и наукоемким процессом, существует лишь несколько компаний, специализирующихся на их производстве, в числе которых следует выделить SanDisk. На ее счету свыше 200 патентов, лицензии на использование которых впоследствии приобрели такие известные игроки, как Intel, Hitachi, Samsung и Sony. Среди основных достижений предприятия стоит упомянуть внедрение стандарта CompactFlash (1994 год), разработку MultiMedia Card (1997 год) и созданный вместе с Toshiba в 2000 году формат Secure Digital Memory Card (SD). Не удивительно, что когда Toshiba взяла курс на рынок США, именно SanDisk был выбран в качестве стратегического партнера для основания совместного предприятия FlashVision LLC (начало работу в 2001 году) на базе производственных мощностей «дочки» японского гиганта Dominion Semiconductor. В октябре 2015 года SanDisk была приобретена Western Digital. Объединив усилия с одним из родоначальников технологии флэш и получив доступ ко всем ключевым наработкам и инновациям, сегодня мы имеем возможность создавать по-настоящему современные, конкурентоспособные и надежные решения потребительского класса.
Флэш-SSD для всех и каждого
Впрочем, вернемся к предмету обсуждения — SSD. Предок современных твердотельных накопителей на основе флэш-памяти был выпущен компанией Digipro еще в 1988 году: он нес на борту 16 мегабайт и стоил 5000 долларов. Годом позже M-Systems представила концепт устройства, уже более-менее напоминающего современные. Оно имело формат 3.5 дюйма и могло вмещать от 16 до 896 мегабайт информации. Серийная модель вышла лишь в 1995 году и носила название FFD-350 (Fast Flash Disk). Из-за высокой цены, достигающей нескольких десятков тысяч долларов, она нашла применение в таких отраслях, как ВПК и авиационная промышленность, для розницы рекордсмен по скорости и объему оказался непригоден.
Digipro Flashdisk — первый SSD на основе NAND
Первопроходцем потребительского сегмента можно назвать выпущенный в 2003 году Transcend IDE Flash Module, подключавшийся через 44-пиновый интерфейс Parallel ATA и имевший объем 128 или 512 мегабайт. Продукт позиционировался, как быстрый и отказоустойчивый накопитель для работы в экстремальных условиях. Низкопрофильный модуль возвышался над разъемом всего на 2 сантиметра, благодаря чему мог подключаться напрямую, без использования шлейфа.
Transcend IDE Flash Module открывает розничный рынок SSD
А первый SATA SSD появился всего через год: Adtron Corporation представила 2.5-дюймовый накопитель Flashpack, однако его рыночная стоимость, в зависимости от модификации, достигала 11 200 долларов. Переломить ситуацию с точки зрения ценовой политики удалось Samsung, предложившей покупателям устройство с незамысловатым названием Flash SSD объемом 32 гигабайта «всего» за 700 долларов! И пускай его все еще сложно было назвать по-настоящему массовым, энтузиастам, готовым раскошелиться за прирост производительности топового ПК, такой вариант пришелся по вкусу.
Adtron Flashpack — прообраз современных SSD
Снижение стоимости и повышение привлекательности SSD для рядового потребителя во многом стало возможным благодаря появлению многобитовых ячеек памяти. Изначально архитектура флэш-матриц предполагала возможность записи в каждую ячейку лишь одного бита информации, то есть плавающий затвор мог хранить только два уровня заряда (такой тип памяти получил название SLC — Single-Level Cell). Следующим шагом стало создание MLC (Multi-Level Cell), способной сохранять по 2 бита (четыре уровня заряда) на каждую ячейку. Еще более вместительной и дешевой в производстве оказалась 8-уровневая (3 бита) флэш-память TLC (triple-level cell), также называемая 3bit MLC — по состоянию на 2015 год ее себестоимость упала до 40 центов на гигабайт.
Подобно NOR и NAND, каждое из перечисленных решений заняло собственную нишу. Ведь если SLC обеспечивает максимальную скорость доступа к сохраненной информации и является чрезвычайно отказоустойчивой, то TLC характеризуют бюджетность и более высокая плотностью хранения. В минусы последней можно записать значительно меньший рабочий ресурс. Как следствие, SLC получила распространение в корпоративном сегменте, TLC стала безусловным монополистом в рознице, а продукция на основе MLC ориентирована, в первую очередь, на тех, кто ценит надежность и при этом хочет выжать все возможное из своей машины.
Дальнейшее развитие SSD осуществлялось уже за счет совершенствования интерфейсов микросхем. На момент, когда встал вопрос о введении единых стандартов, консорциум технологических компаний, куда вошли Intel, Sony, SanDisk, Micron Technology, Numonyx, Phison Electronics Corporation, SK Hynix, Spansion и STMicroelectronics разработал спецификацию Open NAND Flash Interface (ONFI), первая версия которого была представлена весной 2006 года. Пропускная способность ONFI 1.0 составляла всего 50 МБ/с и была не в состоянии раскрыть весь потенциал даже SATA II — только его 4-я ревизия, выпущенная в 2014 году, смогла перешагнуть планку, заданную SATA III, продемонстрировав скорость передачи данных в 800 МБ/с и обеспечив заметный прирост производительности.
Не менее важную роль сыграло совершенствование алгоритмов чтения/записи и кэширования. Например, создавая накопители WD Blue SSD, мы сосредоточились на повышении производительности путем внедрения технологии nCache 2.0, использующей часть доступной памяти в SLC-режиме и форсирующей произвольное чтение в реальных сценариях нагрузки.
WD Blue SSD 1 ТБ — флагман линейки первого поколения твердотельных накопителей от Western Digital
Прямое копирование данных из SLC-буфера в TLC, реализованное на уровне чипов в обход контроллера, позволило использовать более экономичную четырехканальную модель Marvell 88SS1074 без потерь в производительности. Кстати, последняя поддерживает коррекцию ошибок на основе LDPC-кодов, благодаря чему WD Blue SSD способен похвастаться ресурсом перезаписи до 400 TBW, что более чем на 50% выше по сравнению с другими решениями в данной ценовой категории. Таким образом, внедрив перечисленные инновации, нам удалось создать по-настоящему конкурентный продукт на основе TLC-памяти, сочетающий в себе высокую скорость и надежность при сравнительно низкой цене.
Хотя все перечисленное позволило улучшить быстродействие и отказоустойчивость накопителей, потенциал двумерной NAND оказался ограничен. Когда возможности 15-нанометрового технологического процесса были практически исчерпаны, а дальнейшее совершенствование программной части перестало обеспечивать сколь-либо заметного прироста ключевых показателей, на смену планарным микросхемам пришла флэш-память 3D NAND. Ее архитектура характеризуется вертикальной компоновкой: проводящие и изолирующие слои напыляются на кристалл послойно. В полученной «слойке» формируются каналы, на стенки которых наносятся структуры изоляторов и плавающих затворов — в результате мы получаем столбцы кольцеобразных полевых транзисторов. Такой подход позволяет в значительной степени увеличить плотность чипов, а значит, повысить и емкость памяти.
Схема строения 3D NAND
Само по себе изобретение нельзя назвать ноу-хау — например, Samsung выпускает трехмерные чипы еще с 2013 года. Но, как известно, история движется по спирали: подобно тому, как флэшки появились через десяток лет после создания NAND из-за дороговизны последней, первые 3D-чипы оказались также слишком дороги, а значит, непригодны для потребительского рынка. Именно поэтому основные усилия альянса Toshiba и SanDisk, уже являвшегося на тот момент подразделением Western Digital, были направлены на разработку принципиально иного подхода, который позволил бы оптимизировать производство, сделав чипы более доступными.
Изыскания увенчались успехом — результатом кропотливой работы инженеров стало появление BiCS (Bit Cost Scalable) 3D NAND. По сравнению с решением от Samsung, поддерживающим лишь 48 слоев в каждом чипе, технология BiCS позволяет увеличить плотность упаковки в 1.4 раза и повысить количество слоев до 64. Изменения претерпела и архитектура: место линейных строк заняли U-образные. Главная их особенность заключается в том, что линии истока вместе с переключающими транзисторами расположены в верхней части кристалла, что практически полностью исключает появление ошибок при операциях чтения/записи вследствие высокотемпературного воздействия.
Архитектура BiCS
Что же это означает на практике? Поскольку BiCS 3D NAND создается по 40-нм техпроцессу, причем потребность в применении фотолитографии в глубоком ультрафиолете полностью отсутствует, отпадает и необходимость модернизации существующих производственных мощностей. С учетом большей плотности хранения данных, себестоимость производства в сравнении с планарными микросхемами практически не меняется, позволяя создавать накопители повышенной емкости. Кроме того, новый дизайн повышает энергоэффективность чипов на 25% и увеличивает их надежность за счет исключения вероятности термического повреждения.
Все вышеперечисленное сделало возможным создание твердотельных накопителей WD SSD Blue следующего поколения, в основу которых легли 64-слойные чипы. По сравнению с предшественниками, диски отличаются высоким быстродействием (скорость чтения достигает 560 МБ/с, записи — 540 МБ/с), временем наработки на отказ до 1.75 миллионов часов и ресурсом перезаписи вплоть до 500 TBW. Иными словами, даже при нагрузке до 80 гигабайт в день накопители исправно проработают в течение 7 лет, что является абсолютным рекордом в средней ценовой категории. Кроме того, благодаря увеличению плотности записи, обновленная линейка пополнилась двухтерабайтным флагманом — впечатляющий объем и превосходные характеристики делают данную модель идеальным решением для профессионалов и энтузиастов.
Вместо заключения
Уже сейчас можно утверждать, что удешевление 3D NAND сделает ее использование повсеместным. Дальнейшая гонка вооружений сместится в сторону увеличения плотности трехмерных кристаллов и разработки оригинальных архитектурных решений, что позволит создавать по-настоящему доступные и экономичные продукты. Вполне возможно, что в таких сегментах, как производство лэптопов, классические HDD окажутся полностью вытеснены с рынка твердотельными накопителями. Тенденция прослеживается уже сейчас: согласно прогнозам DRAMeXchange (подразделение аналитического агентства TrendForce), уже в этом году доля ноутбуков, снабженных исключительно SSD, превысит 56% от всех проданных устройств, а в дальнейшем эта цифра будет лишь увеличиваться. Впрочем, перспективы развития отрасли — тема отдельного материала, который мы обязательно подготовим для читателей Хабра. Следите за обновлениями блога!
