От металлического кремния до SSD: как создаются твердотельные накопители OCZ
Привет, Geektimes! Многие пользователи твердотельных накопителей часто задаются вопросом:, а как и где, собственно, производят SSD? Насколько сложен этот технологический процесс? И если общие принципы сборки некоторым известны, заглянуть «за кулисы» производства по силам далеко не каждому. Сегодня мы расскажем вам, как создаются SSD, и совершим небольшую экскурсию на завод OCZ на Тайване.
Перед вами — металлический кремний. Именно он лежит в основе производства чипов, в том числе комплектующих для твердотельных накопителей. Сейчас его часто изготавливают карботермическим способом, который запатентован российскими учеными, используя в процессе рудотермические печи. Тонна такого добра стоит от двух до трех тысяч евро. В огромных печах на заводах получают металлический кремний, чистота которого составляет от 98,5%, а также кремниевую пыль. Последнюю применяют, как правило, в строительных смесях, так что она нас мало интересует.
Технический кремний получается путем восстановления коксом расплава SiO2, температура при этом достигает 1800 градусов Цельсия. Таким образом изготавливается кремний с чистотой 99,9%, где остальное — углерод и металлы.
Но для производства электронных компонентов нам нужен так называемый электронный кремний, «чистейший алмаз» среди кремния. Технический кремний хлорируют и получают трихлорсилан (SiHCl3). После его очистки на выходе имеем электронный кремний, в котором концентрация примесей очень мала — как правило, 0,0000001%. Электронный кремний переплавляют в монокристаллы, которые впоследствии и режут на пластины алмазной пилой.
Вот как выглядит один такой монокристалл, вес которого может достигать одного центнера, а то и больше.
Схематично нарезка выглядит так, пила, поверьте, очень острая:
После этого пластины полируют и делают ровными, чтобы они прям блестели в буквальном смысле. Но не будем глубоко вдаваться в тонкости производства, тем более, что на описание всех процессов нам просто не хватит чернил. Чтобы продемонстрировать все это на деле, лучше посмотрим на производство своими глазами. На заводе OCZ.
Вступление и суть производственного процесса SSD
Пока наш «самолет» не приземлился на Тайване, давайте сперва посмотрим, как построен процесс производства твердотельных накопителей в OCZ. До того, как диск окажется на фабрике для сборки, его проектируют, утверждают дизайн, тестируют, создают множество концептов. На схеме ниже наглядно представлены основные этапы проектирования технологической части.
Как и в случае с любым продуктом, разработка SSD начинается с идеи, которая не обязательно может представлять собой создание совершенно новой модели накопителя. Это может быть обновление существующей линейки с новой NAND, ее пополнение версией большей емкости, другой форм-фактор, новое программное обеспечение и так далее. На нулевом этапе идея готова стать концептом, ее стоит только «подтолкнуть» в правильном направлении. В этом поможет документ, который обычно состоит из 1–2 страниц, где содержится краткое описание продукта и цель его создания.
Как только концепт устоялся, маркетинговая и инженерная команды объединяют усилия. Обе они очень важны, поскольку накопитель должен не только продаваться, но и быть надежным и современным, объединяя в себе последние достижения в отрасли. Работа занимает около трех недель и заканчивается формированием требований и описания системы. Если последнее сформулировать не получается, продукт возвращается на стадию концепта.
На второй стадии OCZ планирует и выделяет ресурсы на проект, только после этого начинается работа над его воплощением. Два важных документа, которые для этого необходимы — маркетинговые требования и инженерное заключение. Вообще, второй этап является одним из самых важных, поскольку требует от команд слаженных действий и проработки всех аспектов и тонкостей, включая бюджет. От проектного плана и бюджета зависит, куда компания направит свои сотни тысяч (а то и миллионы) долларов, так что просчета здесь быть не может. Вторая фаза зависит как от продукта, так и от команд, которые над ним работают: обычно она занимает от одного до трех месяцев (последнее — в случае разработки совершенно нового накопителя).
Если бюджет на проект выделен, OCZ переходит к третьей фазе, где большая часть работы инженеров уже сделана. Главная цель — создать первый рабочий прототип, чтобы его можно было протестировать.
В то время, как инженеры заняты своей работой, остальные команды выполняют собственные задачи и подготавливают все для изготовления опытных образцов (на этом этапе отбираются поставщики, разрабатываются предварительные спецификации и маркетинговые материалы). Длина этапа разработки и воплощения в значительной степени зависит от продукта, но даже накопитель, использующий существующий контроллер, может «застрять» на нем на целый год. Разработка совершенно нового контроллера (например, JetExpress) и вовсе занимает несколько лет.
Четвертная фаза, которая включает в себя анализ и оценку качества, состоит из трех основных частей: инженерный проверочный тест (EVT), дизайнерский проверочный тест (DVT) и производственный проверочный тест (PVT).
EVT показывает, как накопитель работает в реальных условиях, и соответствует ли он тому, что было написано на бумаге. Набор параметров для теста относительно простой: уровень мощности, отклик, скорость работы, иначе не убедиться, что прототип работает, как планировалось.
DVT делится на две фазы: «нормальный» тест и тест качества/надежности. «Нормальный» DVT состоит из более широкого набора тестов, нежели EVT, и показывает, как накопитель ведет себя в различных условиях. Каждый тест обычно запускается как минимум на четырех прототипах, тогда как EVT запускают на одном или двух. Вообще, DVT это агрегатор десятков различных тестов, среди которых тест на соответствие, срок хранения данных, потерю мощности и так далее.
Почему DVT состоит из двух частей? Дело в том, что EVT и «нормальный» DVT производятся инженерной командой (кто также разработал дизайн накопителя), поэтому в процессе тестирования могут возникать конфликты интересов и человеческий фактор — люди любят закрывать глаза на собственные ошибки. Поэтому тест качества/надежности проводится независимой командой по контролю качества. Такие тесты занимают гораздо больше времени и проводятся на большем количестве устройств, нежели EVT.
Производственный проверочный тест необходим не столько для тестирования надежности накопителя, сколько для проверки производственных процессов. Проще говоря, основная цель PVT — обеспечение того, чтобы каждый диск с производственной линии был одного (высокого) качества. Для этого с линии берется любой диск и проверяется на различные дефекты, вызванные пайкой. Также PVT служит для оценки системы качества завода, в том числе даже осмотра коробок. Далее проводится другой тест (ORT), который проверяет несколько дисков с разных производственных линий.
Общая продолжительность этапа тестирования варьируется от двух месяцев до полугода или даже года. В первом случае — если конструкция диска относительно проста и схожа с предыдущими накопителями. Пока SSD не пройдет все этапы тестирования, он не перейдет к следующему этапу, массовое производство не начнется. Следовательно, и покупатели его не увидят.
Добро пожаловать на производство!
После финальных тестов PVT подтверждается соответствие производимого диска заявленным спецификациям. Как только этап пройден, начинается массовое производство SSD. Где же происходит вся «магия»?
Завод OCZ расположен в Жонгли, районе города Таоюань в северо-западной части Тайваня, в 45 минутах езды от Тайбэя. Формально фабрика принадлежит компании Powertech — она была продана последней после сделки с Toshiba. Powertech является уважаемым игроком в производственной индустрии, у которой заключены контракты со многими компаниями, в том числе с Apple. Кроме того, эта компания выстроила хорошие взаимоотношения как с OCZ, так и с Toshiba.
Две технологические линии поверхностного монтажа полностью относятся к OCZ и производят около 70 тысяч устройств в месяц. Если вдруг на накопители появляется высокий спрос, компания также использует другие линии, в будущем OCZ рассчитывает увеличить производственные мощности. Но давайте посмотрим, как, собственно, осуществляется сборка SSD.
Производство SSD
Производство твердотельных накопителей практически не отличается от сборки какого-либо другого компонента, построенного на печатной плате.
Начинается все с производства самой печатной платы (привет, «электронный» кремний!), которая покрывается микросхемой при помощи паяльной пасты, смеси мелких частичек олова с флюсом. Это происходит в машине, которая изображена на фото выше.
Паяльная паста должна храниться при температуре, близкой к нулю градусов по Цельсию, иначе она потеряет свои клейкие свойства. Поэтому хранится она в небольших банках в холодильниках.
Готовую плату с микросхемами можно наблюдать на фотографии ниже. Одновременно может производиться четыре платы форм-фактора 2,5 дюйма.
Печатная плата готова «принять» чипы, которые устанавливаются при помощи этой машины. Каждый чип и резистор загружается в «ленту и барабан» машины, которая автоматически монтирует все компоненты на нужные места на печатной плате.
Контроллеры располагаются в другом лотке — это последний компонент, который устанавливается на печатную плату перед следующей стадией.
Как только все компоненты в сборе, накопитель отправляется в специальную «печь», которая плавит пасту и обеспечивает электрическую связь между всеми чипами. Этот процесс занимает около пяти минут, при этом температура сначала резко увеличивается, а потом, на последней стадии, уменьшается. Точный температурный профиль является уникальным и был разработан инженерами OCZ, но иногда его приходится регулировать — так сказать, методом проб и ошибок.
После плавки платы поступают на автоматический визуальный контроль, где произведенная плата сравнивается с изображением идеальной платы — таким образом, удается избежать ошибок вроде неправильно установленных чипов. Слепо полагаться на автоматику в данном деле не стоит, поэтому на всякий случай этот этап контролирует сотрудник. Для двусторонних печатных плат весь процесс от печати до визуального контроля, соответственно, повторяется, поэтому в SSD небольшой емкости обычно используются односторонние платы. Это сокращает издержки и стоимость накопителя для конечного потребителя.
На финальном этапе плата подключается к SATA и коннектору питания. Иногда последний интегрируют в плату, но зачастую он располагается отдельно. Когда этот процесс завершен, платы разделяют и вырезают из рамки. После этого её помещают в металлический корпус и вкручивают винты — за это отвечает вот такой агрегат:
Установка программного обеспечения
Когда с хардверной частью покончено, время программного обеспечения.
Загрузка прошивки осуществляется специальными компьютерами с вполне обычным железом, в качестве операционной системы используется Linux с установленной утилитой загрузки программного обеспечения от OCZ. На картинке выше, например, устанавливается ПО для SSD ARC 100 емкостью 240 ГБ.
Как только прошивка загружена, накопители обязательно еще раз тестируют. OCZ разработала специальный скрипт, который подвергает SSD процедуре чтения и записи не менее восьми раз, чтобы идентифицировать плохие блоки. В случае обнаружения брака накопитель либо отправляется на доработку, либо, как случается намного чаще, он просто уничтожается. Скрипты также тестируют производительность, используя утилиты для бенчмарков, такие, как AS-SSD и ATTO. Надо ведь убедиться, что SSD соответствует заявленным спецификациям.
Сейчас у OCZ есть два вида тестирования. В первом случае это обычные компьютеры, которые мы видели чуть раньше, во втором — большие кабины со стойками, которые за один раз могут проверить 256 накопителей. Второй вариант и предпочтительнее, и быстрее, но не всегда им удается воспользоваться.
Для накопителей PCIe OCZ разработала еще более продвинутый вид тестирования — производственная самодиагностика. На SSD устанавливается кастомное ПО, выполняющее процессы чтения и записи. В этом случае все происходит быстрее, поскольку все команды ввода-вывода генерируются контроллером или прошивкой.
Кроме того, каждый месяц один из произведенных накопителей отправляется на «тест соответствия», чтобы проверить уровень качества продукции. В это время SSD подвергают резким перепадам температуры, в том числе до 70 градусов по Цельсию. Это позволяет замерить срок жизнедеятельности накопителя в экстремальных условиях — он не должен отличаться от заявленного.
Процесс тестирования не сильно изменился с момента сделки с Toshiba, но стоит отметить, что Toshiba все же помогла OCZ наладить стандарты качества. Все процессы, которым подвергают SSD, одобрены «материнской» компанией и соответствуют ее требованиям. За каждым накопителем следят очень строго, и это, безусловно, положительно повлияло на качество SSD от OCZ. Вы сами в этом убедились — отбор почти как в космонавты.
Погодите, а упаковка?
Точно, как же мы могли забыть. Только если SSD успешно прошел все тесты, соответствует заявленным спецификациям, работает без нареканий и без ошибок, он готов к тому, чтобы отправиться в упаковку. Сначала на накопитель наклеивают фирменные наклейки — сейчас сотрудники выполняют это вручную, но совсем скоро процесс будет автоматизирован.
А ну-ка быстро в коробку! За упаковку SSD в красивый картонный бокс отвечает вот эта машина:
На следующем этапе накопители и аксессуары упаковываются в пластиковую оболочку — она скрепляется под высокой температурой.
В розницу накопители отправляются в больших коробках, которые вмещают сразу 10 накопителей. Черная подложка защищает SSD от падения коробки или иного внешнего воздействия — это гарантирует, что в магазин накопители доедут в целости и сохранности. Чтобы это проверить, OCZ даже проводила специальные дроп-тесты.
Коробки запечатываются и отправляются во временное хранилище, откуда SSD затем и попадают на прилавки.
Вместо заключения
Признаемся, отношение OCZ к качеству своих накопителей полностью изменилось. В прошлом было неслыханно, что устройство может «зависнуть» на три месяца на стадии разработки, прежде чем войти в массовое производство. Теперь же длительность этапов увеличена в несколько раз, чтобы компании не было стыдно ни за один свой накопитель. Когда речь заходит о качестве, скрывать нам нечего. Все же от кремния до SSD путь отнюдь не короткий, вы сами это увидели. Надеемся, было интересно.
