Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget - устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал - поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash , каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи - от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие - архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях:) (а NOR - с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше - площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

1. считать в буфер блок информации, в котором он находится
2. в буфере изменить нужный байт
3. записать блок с измененным байтом обратно

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение - здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования - проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш - перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas - флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC - error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек - это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит - электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC - он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок - чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи - 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) - универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов - 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками - по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что - не взыщите:) Надеюсь, материал был вам интересен.

ВведениеТвердотельные накопители или SSD (solid-state drive), то есть такие, в основе которых лежат не магнитные пластины, а флеш-память, стали одной из самых впечатляющих компьютерных технологий последнего десятилетия. По сравнению с классическими жёсткими дисками они предлагают заметно более высокие скорости передачи данных и на порядки более низкое время отклика, и поэтому их применение поднимает отзывчивость дисковой подсистемы на совершенно новый уровень. В результате, компьютер, в котором используется твердотельный накопитель, предлагает пользователю по-настоящему стремительную реакцию на обычные действия вроде загрузки операционной системы, запуска приложений и игр или открытия файлов. И это значит, что нет никаких причин для того, чтобы игнорировать прогресс и не использовать SSD при сборке новых или при модернизации старых персональных компьютеров.

Появление столь прорывной технологии было по достоинству оценено многими пользователями. Спрос на твердотельные накопители потребительского уровня лавинообразно вырос, а к производству SSD стали присоединяться всё новые и новые компании, старающиеся урвать свою долю на растущем и перспективном рынке. С одной стороны, это хорошо – высокая конкуренция порождает установление выгодных для потребителей цен. Но с другой – на рынке клиентских твердотельных накопителей возникает бардак и путаница. Десятки производителей предлагают сотни различающихся между собой по характеристикам SSD, и найти в таком многообразии подходящее решение для каждого конкретного случая становится очень непросто, особенно без досконального знания всех тонкостей. В этой статье мы попытаемся осветить основные вопросы, касающиеся выбора твердотельных накопителей, и дадим свои рекомендации, которые позволят при покупке SSD осуществить более-менее осознанный выбор и получить в своё распоряжение продукт, который будет вполне достойным вариантом по сочетанию цены и потребительских качеств.

Проповедуемый нами алгоритм выбора не слишком сложен для понимания. Мы предлагаем не зацикливаться на особенностях аппаратных платформ и контроллеров, используемых в различных моделях SSD. Тем более, что их число давно вышло за разумные пределы, а разница в их потребительских свойствах нередко может быть прослежена лишь специалистами. Вместо этого выбор предпочтительнее строить исходя из действительно важных факторов – используемого интерфейса, типа установленной в том или ином накопителе флеш-памяти и того, какая фирма произвела конечный продукт. Говорить же о контроллерах имеет смысл лишь в отдельных случаях, когда это действительно имеет определяющее значение, и мы такие случаи опишем отдельно.

Форм-факторы и интерфейсы

Первое и самое заметное различие между имеющимися на рынке твердотельными накопителями заключается в том, что они могут иметь различное внешнее исполнение и подключаться в систему по разным интерфейсам, использующим для передачи данных принципиально различные протоколы.

Наиболее распространены SSD, обладающие интерфейсом SATA . Это ровно тот же интерфейс, что применяется в классических механических жёстких дисках. Поэтому большинство SATA SSD и выглядят похожим на мобильные HDD образом: они упаковываются в 2,5-дюймовые корпуса с высотой 7 или 9 мм. Такой SSD можно установить в ноутбук на место старого 2,5-дюймового жёсткого диска, а можно без каких-либо проблем использовать его и в настольном компьютере вместо (или рядом с) 3,5-дюймовым HDD.

Твердотельные накопители, использующие интерфейс SATA, стали своего рода правопреемниками HDD, и это обуславливает их повсеместное распространение и широчайшую совместимость с существующими платформами. Однако современная версия SATA-интерфейса рассчитана на максимальную скорость передачи данных лишь на уровне 6 Гбит/с, которая кажется запредельной для механических жёстких дисков, но не для SSD. Поэтому производительность наиболее мощных моделей SATA SSD определяется не столько их возможностями, сколько пропускной способностью интерфейса. Это не особенно мешает массовым твердотельным накопителям раскрывать свою высокую скорость, но наиболее производительные модели SSD для энтузиастов интерфейс SATA стараются обходить стороной. Тем не менее, именно SATA SSD является самым подходящим вариантом для современной общеупотребительной системы.

Широко используется SATA-интерфейс и в SSD, рассчитанных на компактные мобильные системы. В них дополнительные ограничения накладываются на размер комплектующих, поэтому накопители для таких применений могут выпускаться в специализированном форм-факторе mSATA . Твердотельные накопители данного формата представляют собой небольшую дочернюю карту с напаянными микросхемами и устанавливаются в специальные слоты, имеющиеся в некоторых ноутбуках и неттопах. Преимущество mSATA SSD заключается исключительно в миниатюрности, никаких же иных плюсов у mSATA нет – это точно такие же SATA SSD, что и выпускаемые в 2,5-дюймовых корпусах, но в более компактном исполнении. Поэтому, приобретать такие накопители следует лишь для модернизации систем, в которых есть разъёмы mSATA.

В тех же случаях, когда пропускной способности, предлагаемой SATA-интерфейсом, кажется недостаточно, обратить внимание можно на твердотельные накопители с интерфейсом PCI Express . В зависимости от того, какая версия протокола и сколько линий используется накопителем для передачи данных, пропускная способность этого интерфейса может доходить до значений, впятеро превосходящих возможности SATA. В таких накопителях обычно используются самая производительная начинка, и они существенно обходят по скорости более привычные SATA-решения. Правда, PCIe SSD существенно дороже, поэтому чаще всего они попадают в наиболее высокопроизводительные системы высшей ценовой категории. А поскольку PCIe SSD обычно выпускаются в виде карт расширения, устанавливаемых в слоты PCI Express, подходят они исключительно для полноразмерных настольных систем.

Стоит отметить, что в последнее время становятся популярны накопители c интерфейсом PCI Express, работающие по протоколу NVMe . Это – новый программный протокол работы с устройствами хранения данных, который дополнительно увеличивает быстродействие системы при взаимодействии со скоростной дисковой подсистемой. За счёт сделанных в нём оптимизаций этот протокол действительно обладает лучшей эффективностью, но сегодня к NVMe-решениям нужно относиться с осторожностью: они совместимы лишь с самыми новыми платформами и работоспособны только в новых версиях операционных систем.

В то время как пропускной способности интерфейса SATA становится недостаточно для скоростных моделей SSD, а PCIe-накопители громоздки и требуют для своей установки отдельного полноразмерного слота, на сцену постепенно выходят накопители, выполненные в форм-факторе M.2 . Похоже, что именно M.2 SSD имеют шанс стать следующим общепринятым стандартом, и они будут не менее популярны, чем SATA SSD. Однако нужно иметь в виду, что M.2 – это не ещё один новый интерфейс, а лишь спецификация типоразмера карт и разводки необходимого для них разъёма. Работают же M.2 SSD по вполне привычным интерфейсам SATA либо PCI Express: в зависимости от конкретной реализации накопителя допускается как один, так и другой вариант.

Карты M.2 представляют собой небольшие дочерние платы с напаянными на них элементами. Необходимые для них слоты M.2 сегодня можно найти на большинстве современных материнских плат, а также во многих новых ноутбуках. Учитывая, что M.2 SSD могут работать в том числе и через интерфейс PCI Express, наиболее интересны с практической точки зрения как раз именно такие M.2-накопители. Однако на данный момент ассортимент подобных моделей не слишком велик. Тем не менее, если речь идёт о сборке или модернизации современной высокопроизводительной системы, в частности, игрового десктопа или ноутбука, мы советуем обращать внимание в первую очередь именно на M.2-модели SSD с интерфейсом PCI Express.

Кстати, если ваша настольная система не оборудована разъёмом M.2, а установить такой накопитель всё-таки хочется, сделать это всегда возможно с помощью платы-переходника. Такие решения выпускаются как производителями материнских плат, так и многочисленными мелкими производителями всякой периферии.

Типы флеш-памяти и надёжность накопителей

Второй важный вопрос, с которым в любом случае придётся разобраться при выборе, касается типов флеш-памяти, которые можно встретить в актуальных моделях твердотельных накопителей. Именно флеш-память определяет основные потребительские характеристики SSD: их производительность, надёжность и цену.

Ещё совсем недавно разница между различными типами флеш-памяти состояла лишь в том, сколько бит данных хранится в каждой ячейке NAND, и это подразделяло память на три разновидности: SLC, MLC и TLC. Однако теперь производители осваивают в своих полупроводниковых технологиях новые подходы к компоновке ячеек и к повышению их надёжности, и ситуация стала значительно сложнее. Тем не менее, мы перечислим основные варианты флеш-памяти, которые можно встретить в современных твердотельных накопителях для обычных пользователей.

Начать следует с SLC NAND . Это самый старый и самый простой тип памяти. Он предполагает хранение одного бита данных в каждой ячейке флеш-памяти и благодаря этому имеет высокие скоростные характеристики и заоблачный ресурс перезаписи. Проблема лишь в том, что хранение по одному биту информации в каждой ячейке активно расходует транзисторный бюджет, и флеш-память такого типа получается очень дорогой. Поэтому SSD на базе такой памяти уже давно не выпускаются, и на рынке их попросту нет.

Разумной альтернативой SLС-памяти с более высокой плотностью хранения данных в полупроводниковых NAND-кристаллах и более низкой ценой является MLC NAND . В такой памяти в каждой ячейке хранится уже по два бита информации. Скорость работы логической структуры MLC-памяти остаётся на достаточно хорошем уровне, но выносливость снижается примерно до трёх тысяч циклов перезаписи. Тем не менее, MLC NAND используется сегодня в подавляющем большинстве высокопроизводительных твердотельных накопителей, а уровень её надёжности вполне достаточен для того, чтобы производители SSD не только давали на свои продукты пятилетнюю или даже десятилетнюю гарантию, но и обещали возможность перезаписи полной ёмкости накопителя несколько сотен раз.

Для тех же применений, где интенсивность операций записи очень высока, например, для серверов, производители SSD собирают решения на базе специальной eMLC NAND . С точки зрения принципов работы это – полный аналог MLC NAND, но с повышенной устойчивостью к постоянным перезаписям. Такая память изготавливается из самых лучших, отборных полупроводниковых кристаллов и может без проблем переносить примерно втрое большую нагрузку, чем ординарная MLC-память.

В то же время стремление к снижению цен на свою массовую продукцию заставляет производителей переходить на более дешёвую по сравнению с MLC NAND память. В бюджетных накопителях последних поколений нередко встречается TLC NAND – флеш-память, в каждой ячейке которой хранится по три бита данных. Эта память примерно в полтора раза медленнее, чем MLC NAND, а её выносливость такова, что перезаписать в ней информацию до деградации полупроводниковой структуры удаётся около тысячи раз.

Тем не менее, даже такую хлипкую TLC NAND в сегодняшних накопителях можно встретить достаточно часто. Число моделей SSD на её основе уже перевалило далеко за десяток. Секрет жизнеспособности таких решений заключается в том, что в них производители добавляют небольшой внутренний кеш, основанный на скоростной и высоконадёжной SLC NAND. Именно таким образом решается сразу обе проблемы – как с производительностью, так и с надёжностью. В результате, SSD на базе TLC NAND получают скорости, достаточные для насыщения SATA-интерфейса, а их выносливость позволяет производителям давать на конечные продукты трёхлетнюю гарантию.

В погоне за снижением себестоимости продукции производители стремятся к уплотнению данных внутри ячеек флеш-памяти. Именно этим был обусловлен переход на MLC NAND и начавшееся теперь распространение в накопителях TLC-памяти. Следуя этой тенденции, в скором времени мы могли бы столкнуться и с SSD на базе QLC NAND, в которой каждая ячейка хранит по четыре бита данных, однако какова бы была надёжность и скорость работы такого решения, остаётся только догадываться. К счастью, индустрия нашла другой путь повышения плотности хранения данных в полупроводниковых кристаллах, а именно – их перевод на трёхмерную компоновку.

В то время как в классической NAND-памяти ячейки расположены исключительно планарно, то есть в виде плоского массива, в 3D NAND в полупроводниковой структуре введено третье измерение, и ячейки располагаются не только по осям X и Y, но и в несколько ярусов друг над другом. Этот подход позволяет решить главную проблему – плотность хранения информации в такой структуре можно наращивать не увеличением нагрузки на имеющиеся ячейки или их миниатюризацией, а простым добавлением дополнительных слоёв. Успешно решается в 3D NAND и вопрос выносливости флеш-памяти. Трёхмерная компоновка позволяет применять производственные технологии с увеличенными нормами, которые с одной стороны дают более устойчивую полупроводниковую структуру, а с другой – устраняют взаимное влияние ячеек друг на друга. В результате, ресурс трёхмерной памяти по сравнению с планарной удаётся улучшить примерно на порядок.

Иными словами, трёхмерная структура 3D NAND готова совершить настоящую революцию. Проблема лишь в том, что изготавливать такую память несколько сложнее, чем обычную, поэтому старт её производства значительно растянулся по времени. В итоге, на данный момент налаженным массовым выпуском 3D NAND может похвастать лишь компания Samsung. Остальные производители NAND пока лишь готовятся к запуску серийного производства трёхмерной памяти и смогут предложить коммерческие решения только в следующем году.

Если же говорить о трёхмерной памяти Samsung, то на сегодняшний день она использует 32-слойный дизайн и продвигается под собственным маркетинговым именем V-NAND. По типу организации ячеек в такой памяти она подразделяется на MLC V-NAND и TLC V-NAND – и то, и другое – это трёхмерная 3D NAND, но в первом случае каждая отдельная ячейка хранит по два бита данных, а во втором – по три. Хотя принцип действия в обоих случаях схож с обычной MLC и TLC NAND, за счёт использования зрелых техпроцессов её выносливость выше, а значит, SSD на базе MLC V-NAND и TLC V-NAND несколько лучше по надёжности, чем SSD с обычной MLC и TLC NAND.

Впрочем, говоря о надёжности твердотельных накопителей, необходимо иметь в виду, что от ресурса применяемой в них флеш-памяти она зависит лишь опосредовано. Как показывает практика, современные потребительские SSD, собранные на качественной NAND-памяти любого типа, в реальности способны перенести запись сотен терабайт информации. И это с лихвой покрывает потребности большинства пользователей персональных компьютеров. Выход же накопителя из строя при исчерпании им ресурса памяти – это скорее из ряда вон выходящее событие, которое может быть связано лишь с тем, что SSD используется при слишком интенсивной нагрузке, для которой он на самом деле не предназначался изначально. В большинстве случаев поломки SSD происходят по совершенно другим причинам, например, от перебоев питания или ошибок в их микропрограмме.

Поэтому вместе с типом флеш-памяти очень важно обращать внимание и на то, какая компания изготовила конкретный накопитель. Крупнейшие производители имеют в своём распоряжении более мощные инженерные ресурсы и лучше заботятся о своей репутации, чем небольшие фирмы, вынужденные конкурировать с грандами, используя в первую очередь ценовой аргумент. Вследствие этого SSD крупных производителей в целом более надёжны: в них используются заведомо качественные компоненты, а доскональная отладка микропрограммы является одним из важнейших приоритетов. Это подтверждаются и практикой. Частота обращений по гарантии (по общедоступной статистике одного из европейских дистрибуторов) меньше у тех SSD, которые произведены более крупными компаниями, о которых мы подробнее поговорим в следующем разделе.

Производители SSD, о которых следует знать

Рынок потребительских SSD очень молод, и на нём ещё не успела произойти консолидация. Поэтому число производителей твердотельных накопителей очень велико – как минимум их не меньше сотни. Но большинство из них – это мелкие компании, которые не имеют ни собственных инженерных команд, ни полупроводникового производства, а фактически занимаются лишь сборкой своих решений из закупаемых на стороне готовых компонентов и их маркетинговой поддержкой. Естественно, SSD, выпущенные такими «сборщиками», уступают продукции настоящих производителей, которые инвестируют в разработку и производство огромные средства. Именно поэтому при рациональном подходе к выбору твердотельных накопителей обращать внимание стоит лишь на решения, выпускаемые лидерами рынка.

В числе таких «столпов», на которых держится весь рынок твердотельных накопителей, можно назвать лишь несколько имён. И в первую очередь это – Samsung , которая на этот момент владеет весьма внушительной 44-процентной рыночной долей. Иными словами, почти каждый второй проданный SSD сделан именно Samsung. И такие успехи совсем не случайны. Компания не только самостоятельно делает флеш-память для своих SSD, но и обходится вообще без какого-либо стороннего участия в проектировании и производстве. В её твердотельных накопителях используются аппаратные платформы, от начала и до конца сконструированные собственными инженерами и производимые на собственных мощностях. В результате, передовые накопители Samsung нередко отличаются от конкурирующих продуктов своей технологической продвинутостью – в них можно встретить такие прогрессивные решения, которые в продукции других фирм появляются существенно позже. Например, накопители, основанные на 3D NAND, в настоящее время присутствуют исключительно в ассортименте компании Samsung. И именно поэтому на SSD этой компании следует обратить внимание энтузиастам, которым импонирует техническая новизна и высокая производительность.

Второй по величине производитель SSD потребительского уровня – Kingston , владеющий примерно 10-процентной рыночной долей. В отличие от Samsung эта компания не занимается самостоятельным выпуском флеш-памяти и не ведёт разработок контроллеров, а опирается на предложения сторонних производителей NAND-памяти и решения независимых инженерных команд. Однако именно это позволяет Kingston конкурировать с гигантами вроде Samsung: умело подбирая партнёров в каждом конкретном случае, Kingston предлагает весьма разностороннюю линейку продукции, хорошо отвечающую потребностям разных групп пользователей.

Также мы бы посоветовали обращать внимание на те твердотельные накопители, которые выпускаются компаниями SanDisk и Micron, использующей торговую марку Crucial . Обе эти фирмы имеют собственные мощности по выпуску флеш-памяти, что позволяет им предлагать высококачественные и технологичные SSD с отличным сочетанием цены, надёжности и быстродействия. Немаловажно и то, что при создании своих продуктов эти производители опираются на сотрудничество с компанией Marvell – одним из лучших и крупнейших разработчиков контроллеров. Такой подход позволяет SanDisk и Micron стабильно добиваться достаточно высокой популярности их продукции – их доля на рынке SSD достигает 9 и 5 процентов соответственно.

В завершение рассказа об основных игроках рынка твердотельных накопителей упомянуть следует и о компании Intel. Но, к сожалению, не в самом положительном ключе. Да, она тоже самостоятельно производит флеш-память и имеет в своём распоряжении отличную инженерную команду, способную проектировать весьма интересные SSD. Однако Intel сосредоточена в первую очередь на разработках твердотельных накопителей для серверов, которые рассчитаны на интенсивные нагрузки, имеют достаточно высокую цену и потому малоинтересны для обычных пользователей. Её же клиентские решения основываются на совсем старых аппаратных платформах, закупаемых на стороне, и заметно проигрывают в своих потребительских качествах предложениям конкурентов, о которых мы говорили выше. Иными словами, использовать в современных персональных компьютерах твердотельные накопители компании Intel мы не советуем. Исключение для них можно делать лишь в одном случае – если речь идёт о высоконадёжных накопителях с eMLC-памятью, которые микропроцессорному гиганту удаются на отлично.

Быстродействие и цены

Если вы внимательно ознакомились с первой частью нашего материала, то осмысленный выбор твердотельного накопителя кажется очень простым. Совершенно очевидно, что выбирать следует из основанных на V-NAND или MLC NAND моделей SSD, предлагаемых лучшими производителями – лидерами рынка, то есть Crucial, Kingston, Samsung или SanDisk. Однако даже если сузить круг поиска до предложений только этих компаний, то окажется, что их всё равно очень много.

Поэтому к критериям поиска придётся привлечь дополнительные параметры – производительность и цену. На сегодняшнем рынке SSD произошла чёткая сегментация: предлагаемые продукты относятся к нижнему, среднему или верхнему уровню и от этого прямо зависит их цена, производительность, а также и условия гарантийного обслуживания. Наиболее дорогие твердотельные накопители основываются на самых производительных аппаратных платформах и используют самую качественную и быструю флеш-память, более же дешёвые – базируются на урезанных платформах и NAND-памяти попроще. Накопители же среднего уровня характеризуются тем, что в них производители пытаются соблюсти баланс между производительностью и ценой.

В результате, продающиеся в магазинах бюджетные накопители предлагают удельную цену на уровне $0,3-0,35 за каждый гигабайт. Модели среднего уровня подороже – их стоимость составляет $0,4-0,5 за каждый гигабайт объёма. Удельные же цены флагманских SSD вполне могут доходить до $0,8-1,0 за гигабайт. В чём же разница?

Решения верхней ценовой категории, которые в первую очередь ориентированы на аудиторию энтузиастов, это – высокопроизводительные SSD, использующие для своего включения в систему шину PCI Express, которая не ограничивает максимальную пропускную способность при передаче данных. Такие накопители могут быть выполнены в виде M.2 или PCIe-карт и обеспечивают скорости, в разы превышающие быстродействие любых SATA-накопителей. При этом в их основе используются специализированные контроллеры Samsung, Intel или Marvell и самая качественная и быстродействующая память типов MLC NAND или MLC V-NAND.

В среднем ценовом сегменте играют SATA-накопители, подключаемые по SATA-интерфейсу, однако способные при этом задействовать (почти) всю его пропускную способность. Такие SSD могут использовать разные контроллеры разработки Samsung или Marvell и различную качественную MLC либо V-NAND память. Однако в целом их производительность примерно одинакова, поскольку больше зависит от интерфейса, чем от мощности начинки накопителя. Выделяются такие SSD на фоне более дешёвых решений не только производительностью, но и расширенными условиями гарантии, срок которой устанавливается в пять или даже десять лет.

Бюджетные накопители – самая многочисленная группа, в которой находят место совершенно разношёрстные решения. Однако находятся у них и общие черты. Так, контроллеры, которые применяются в недорогих SSD, обычно имеют урезанный уровень параллелизма. Кроме того, чаще всего это процессоры, созданные небольшими тайваньскими инженерными командами вроде Phison, Silicon Motion или JMicron, а не командами разработчиков с мировым именем. По своей производительности бюджетные накопители до решений более высокого класса, естественно, не дотягивают, что бывает особенно заметно при случайных операциях. Кроме того, попадающая в накопители нижнего ценового диапазона флеш-память тоже к самому высокому уровню, естественно, не относится. Обычно здесь встречается либо дешёвая MLC NAND, выпущенная по «тонким» производственным нормам, или вообще TLC NAND. Вследствие этого сроки гарантии на такие SSD сокращены до трёх лет, существенно ниже бывает и декларируемый ресурс перезаписи. Высокопроизводительные SSD

Samsung 950 PRO . Вполне естественно, что лучшие SSD потребительского уровня стоит искать в ассортименте компании, которая занимает на рынке доминирующее положение. Так что если вы хотите получить в своё распоряжение накопитель премиального класса, который заведомо превосходит любые другие SSD по скорости, то можете смело приобретать новейший Samsung 950 PRO. В его основе лежит собственная аппаратная платформа Samsung, в которой задействуется передовая MLC V-NAND второго поколения. Она обеспечивает не только высокую производительность, но и хорошую надёжность. Но следует иметь в виду, что Samsung 950 PRO включается в систему по шине PCI Express 3.0 x4 и выполнен в виде карты форм-фактора M.2. И есть ещё одна тонкость. Этот накопитель работает по протоколу NVMe, то есть совместим лишь с новейшими платформами и операционными системами.

Kingston HyperX Predator SSD . Если же вы хотите получить максимально беспроблемное решение, которое заведомо совместимо не только с самыми новыми, но и со зрелыми системами, то выбор стоит останавливать на Kingston HyperX Predator SSD. Этот накопитель немного медленнее Samsung 950 PRO и использует шину PCI Express 2.0 x4, но зато его всегда и без каких-либо проблем можно сделать загрузочным накопителем в абсолютно любой системе. При этом обеспечиваемые им скорости в любом случае в разы выше, чем выдают SATA SSD. И ещё одна сильная сторона Kingston HyperX Predator SSD заключается в том, что он доступен в двух вариантах: в виде карт форм-фактора M.2, либо в виде PCIe-плат, устанавливаемых в привычный слот. Правда, есть у HyperX Predator и прискорбные недостатки. На его потребительских свойствах сказывается тот факт, что производитель закупает базовые компоненты на стороне. В основе HyperX Predator SSD лежит контроллер разработки Marvell и флеш-память Toshiba. В результате, не имея полного контроля над начинкой своего решения, Kingston вынуждена давать на свой премиальный твердотельный накопитель гарантию, сокращённую до трёх лет.

Тестирование и обзор Kingston HyperX Predator SSD .

Твердотельные накопители среднего уровня

Samsung 850 EVO . Основанный на собственной самсунговской аппаратной платформе, которая включает новаторскую флеш-память типа TLC V-NAND, накопитель Samsung 850 EVO предлагает отличное сочетание потребительских характеристик. При этом его надёжность не вызывает никаких нареканий, а технология SLC-кеширования TurboWrite позволяет полностью задействовать пропускную способность SATA-интерфейса. Особенно привлекательными нам представляются варианты Samsung 850 EVO с ёмкостью от 500 Гбайт и выше, которые обладают SLC-кешем большего размера. Кстати, в этой линейке есть и уникальный SSD с объёмом 2 Тбайт, аналогов которого вообще не существует. Ко всему перечисленному следует добавить, что на Samsung 850 EVO распространяется пятилетняя гарантия, причём владельцы накопителей данного производителя всегда могут обратиться в любой из раскиданных по стране многочисленных сервис-центров этой компании.

SanDisk Extreme Pro . Компания SanDisk сама производит флеш-память для своих накопителей, но контролеры закупает на стороне. Так, Extreme Pro базируется на контроллере разработки Marvell, однако в нём можно найти немало ноу-хау от самой SanDisk. Самое интересное добавление – SLC-кеш nCahce 2.0, который в Extreme Pro реализован внутри MLC NAND. В результате, производительность SATA-накопителя весьма впечатляет, а кроме того, мало кого оставят равнодушными условия гарантии, срок которой установлен в 10 лет. Иными словами, SanDisk Extreme Pro – очень интересный и актуальный вариант для систем среднего уровня.

Тестирование и обзор SanDisk Extreme Pro .

Crucial MX200 . Есть очень неплохой SATA SSD среднего уровня и ассортименте Micron. Crucial MX200 использует произведённую этой фирмой MLC-память и подобно SanDisk Extreme Pro основывается на контроллере Marvell. Однако модель MX200 дополнительно усилена технологией динамического SLC-кеширования Dynamic Write Acceleration, которая поднимает производительность SSD выше среднего уровня. Правда, используется она лишь в моделях с ёмкостью 128 и 256 Гбайт, так что в первую очередь интерес представляют именно они. Также несколько хуже у Crucial MX200 и условия гарантии – её срок установлен лишь в три года, но в качестве компенсации Micron продаёт свои SSD немного дешевле конкурентов.

Бюджетные модели

Kingston HyperX Savage SSD . Компания Kingston предлагает бюджетный SSD, основанный на полноценном восьмиканальном контроллере, чем он и подкупает. Правда, в HyperX Savage используется разработка Phison, а не Marvell, но зато флеш-память – нормальная MLC NAND, которую Kingston закупает у Toshiba. В итоге, уровень производительности, обеспечиваемый HyperX Savage, немного ниже среднего, а гарантия на него – трёхлетняя, но среди бюджетных предложений этот накопитель смотрится достаточно уверенно. Кроме того, HyperX Savage эффектно выглядит и его будет приятно установить в корпус с окном.

Тестирование и обзор Kingston HyperX Savage SSD .

Crucial BX100 . Этот накопитель попроще, чем Kingston HyperX Savage, и в его основе лежит урезанный четырёхканальный контроллер Silicon Motion, но несмотря на это производительность Crucial BX100 совсем неплоха. Кроме того, Micron использует в этом SSD свою собственную MLC NAND, что в итоге и делает данную модель весьма интересным бюджетным предложением, предлагаемым именитым производителем и не вызывающим претензий пользователей к надёжности.

MLC или TLC — что лучше выбрать для своего компьютера? Все пользователи, которые когда-либо использовали твердотельный накопитель (память SSD), отзываются о нем положительно. Благодаря ему, любимые приложения загружаются быстрее, а общая эффективность системы повышается. Кроме того, эти накопители гораздо более износоустойчивые и прочные по сравнению с традиционными жесткими дисками. Но почему некоторые типы памяти дороже, чем другие? Для ответа на этот вопрос нужно понять внутреннее устройство накопителей такого типа.

Плату SSD можно условно разделить на 3 основных блока:

1. 3D NAND-память (не путать с NOR Flash). Эта часть используется для хранения данных в энергонезависимых блоках, которые не требуют постоянного питания от электросети.
2. 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.
3. 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 такое SLC

В противостоянии SLC vs MLC или TLC 3D всегда побеждает первый тип памяти, но он и стоит значительно дороже. Он также располагает большим объемом памяти, но работает медленнее и больше склонен к поломкам. MLC и TLC — это типы памяти, которые рекомендуется применять для обычного повседневного использования компьютера. NOR обычно используется в мобильных телефонах и планшетах. Осознание своих собственных потребностей поможет пользователю выбрать наиболее подходящий из всех SSD-дисков.

Single Level Cell получила свое название благодаря единственному биту, который включается или выключается в зависимости от питания электроэнергией. Преимущество SLC в том, что она наиболее точная при чтении и записи данных, а ее цикл непрерывной работы может быть более продолжительным. Количество допустимых перезаписей составляет 90000-100000.

Эта разновидность памяти хорошо прижилась на рынке, благодаря высокой продолжительности жизни, точности и общей производительности. Такой накопитель редко устанавливается в домашних компьютерах из-за большой стоимости и малого объема памяти. Он больше подходит для промышленного использования и больших нагрузок, связанных с непрерывным чтением и записью информации.

Достоинства SLC:

• долгий срок службы и большее количество циклов зарядки по сравнению с любым другим типом флеш-памяти;
• меньшее количество ошибок чтения и записи;
• может работать в более широком диапазоне температур.

Недостатки SLC:

• высокая цена по сравнению с другими SSD;
• сравнительно небольшой объем памяти.

Тип памяти eMLC

eMLC — это флеш-память, оптимизированная для предпринимательского сектора. Она может похвастаться улучшенной производительностью и долговечностью. Количество перезаписей варьируется от 20000 до 30000. eMLC можно рассматривать как более дешевую альтернативу SLC, которая позаимствовала некоторые преимущества у своего конкурента.

Достоинства eMLC:

• намного дешевле, чем SLC;
• более высокая производительность и выносливость по сравнению с обычной MLC NAND.

Недостатки eMLC:

• проигрывает SLC в плане производительности;
• не подходит для домашнего использования.

Флеш-память MLC для твердотельного накопителя

Память Multi Level Cell получила свое название благодаря способности хранить 2 бита данных в одной ячейке. Большим преимуществом является более низкая цена по сравнению с SLC. Меньшая стоимость, как правило, становится залогом популярности продукта. Проблема в том, что количество возможных перезаписей одной ячейки значительно меньше по сравнению с SLC.

Достоинства MLC NAND:

сравнительно низкая цена, рассчитанная на массового потребителя;
большая надежность по сравнению с TLC.

Недостатки MLC NAND:

• менее надежная и долговечная, чем SLC или eMLC;
• не подходит для коммерческого использования.

TLC память

Triple Level Cell — это самая дешевая разновидность флеш-памяти. Ее самый большой недостаток заключается в том, что она подходит только для домашнего использования и противопоказана к применению в предпринимательской или промышленной деятельности. Жизненный цикл ячейки составляет 3000-5000 перезаписей.

Достоинства TLC 3D:

• наиболее дешевая SSD из всех доступных на рынке;
• способна удовлетворить потребности большинства пользователей.

Недостатки TLC 3D:

• наименьшая продолжительность жизни по сравнению с другими типами;
• не годится для коммерческого использования.

Долговечность SSD

Как и все хорошие вещи в этом мире, SSD не может существовать вечно. Как было отмечено выше, жизненный цикл твердотельного накопителя напрямую зависит от того, какую он использует 3D NAND-память. Многих пользователей волнует вопрос, как долго могут функционировать более дешевые виды накопителей. По сравнению с MLC и TLC, память SLC более долговечная, но стоит дороже. Независимые команды энтузиастов провели испытания доступных SSD потребительского класса, большинство из которых составили MLC, а 3D NAND TLC использовался только 1. Результаты оказались многообещающими. Перед выходом из строя, большинство этих устройств успели пропустить через себя 700 Тбайт информации, а 2 из них — даже 1 Пбайт. Это поистине огромное количество данных.

Можно смело отметать любые опасения по поводу того, что SSD выйдет из строя в короткие сроки. Если вы используете MLC или TLC 3D V-NAND для такого повседневного использования, как хранение музыки, фотографий, программного обеспечения, личных документов и видеоигр, то можете быть уверены, что памяти хватит на несколько лет. В домашних условиях невозможно нагрузить компьютер так, как это делают с корпоративными серверами. Тем, кто беспокоится о продолжительности жизни своей памяти, могут пригодиться функции вроде Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology (S.M.A.R.T.), которые помогают отслеживать состояние SSD.

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 , 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.

В основу зарождения NAND-памяти легла появившаяся намного раньше флеш-память, используемая в твердотельных накопителях с явно меньшей скоростью работы, долговечностью и большей площадью чипа, чем у NAND-памяти. Флеш-память изобрел Fujio Masuoka в 1984 году, работая в компании Toshiba. После представления разработки Fujio Masuoka на IEEE 1984 (International Electron Devices Meeting) в Сан-Франциско (Калифорния) компания Intel в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип типа NOR. Появление NAND-типа флеш-памяти было анонсировано Toshiba в 1989 году на Международной конференции, посвященной твердотельным дискам (International Solid-State Circuits Conference).

Flash-память, типы NAND-памяти

Принципиальным отличием флеш-памяти является хранение ею одного бита информации в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. Существует два типа NAND-памяти, используемой в SSD дисках – SLC и MLC. Чем же отличаются SLC и MLC типы памяти? SLC-устройства имеют одноуровневые ячейки, которые хранят в каждом транзисторе только один бит, а многоуровневые MLC могут хранить в каждой ячейке несколько бит информации. Это следствие использования разных уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора. Принцип кодирования (логического 0 или 1) информации во всех случаях одинаков, он будет описан нами ниже. Различается лишь строение ячейки. Глубина уровней MLC может доходить до 4-х, то есть хранить до 4-х бит информации, в то время как SLC является более простой единицей и хранит 1 бит.

Технология MLC позволяет за счет наращивания уровней существенно увеличить объем диска, оставив его физические размеры неизменными, что уменьшает себестоимость каждого гигабайта. На этом положительные качества данной технологии заканчиваются. С каждым дополнительным уровнем усложняется задача распознавания уровня сигнала, не говоря уже об уменьшении ресурса работы SSD-диска, увеличивается время поиска адреса ячейки, повышается вероятность ошибок. Контроль за ошибками осуществляется аппаратно, что в случае технологии MLC ведет к удорожанию управляющей электроники и соответственно увеличивает конечную стоимость SSD. Диски SSD, массово продающиеся на мировом рынке, используют MLC-технологию с четырехуровневой записью. При этом данные кодируются как (11), (10), (01), (00). Для SLC одноуровневая ячейка может принимать лишь значения 0 или 1.

Решения с ячейками SLC при тех же размерах и цене явно проигрывают MLC в объеме хранимой на них информации, но при этом являются более быстрыми и долговечными. Поэтому производителям приходится использовать большее количество микросхем при меньшем суммарном объеме диска, что в конечном итогу повышает цену диска SLC более чем в два раза по сравнению с такого же объема диском MLC.

Механизмы записи и чтения элементарной ячейки NAND-память

Постараемся более подробно описать работу транзистора для NAND-памяти, которым является полевой транзистор с изолированным затвором или MOSFET.

Главной особенность полевого транзистора, которая позволила его использование для хранения информации, стала возможность удерживать электрический заряд на «плавающем» затворе до 10 лет. Сам «плавающий» затвор выполнен из поликристаллического кремния и полностью окружен слоем диэлектрика, что обеспечивает ему полное отсутствие электрического контакта с элементами транзистора. Он расположен между управляющим затвором и подложкой из p-n переходов. Управляющий электрод полевого транзистора называется затвором. В данном случае проводимость p-n перехода, обусловленная электрическим сопротивлением, управляется разностью потенциалов, которая создает электрическое поле, воздействующее на состояние p-n переходов.

Немаловажными элементами транзистора являются также сток и исток. Для изменения бита записываемой информации в ячейку, напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Это позволяет некоторым электронам перейти через слой диэлектрика на плавающий затвор, обеспечив его зарядом, а значит и наполнение элементарной ячейки битом информации.

Накопленный заряд на плавающем затворе влияет на проводимость канала сток-исток, что используется при чтении.

Такая разность механизма записи и чтения явно сказывается на различном энергопотреблении этих режимов. NAND-память потребляет достаточно большой ток при записи, а при чтении затраты энергии наоборот малы. Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят на исток. Именно из таких элементарных ячеек объединенных в страницы, блоки и массивы и состоит современный твердотельный накопитель.

Срок жизни NAND-памяти

Главной особенностью NAND-памяти, позволяющей ее использование в SSD-дисках, стало ее умение хранить данные без внешнего источника энергии. Однако такая технология накладывает ограничения на число изменений логического состояния ячейки, что приводит к конечному числу циклов перезаписи этой ячейки. Это связанно с постепенным разрушением диэлектрического слоя. Данный эффект наступает намного быстрее у ячеек MLC ввиду их малого резерва изменения заряда плавающего затвора из-за конструктивных особенностей. Чтение ячейки тоже влияет на срок ее жизни, но это воздействие намного менее значительно, чем при записи/стирании, что позволяет считать циклы чтения не ограниченными, а срок жизни SSD-диска измеряется количеством возможных циклов перезаписи.

На всех SSD-дисках присутствует недоступная для стандартных операций записи/чтения часть. Она необходима как резерв в случае износа ячеек, по аналогии с магнитными накопителями HDD, который имеет резерв для замены bad-блоков. Дополнительный резерв ячеек используется динамически, и по мере физического изнашивания основных ячеек предоставляется резервная ячейка на замену.

Приведем приблизительную сравнительную таблицу основных характеристик, отличающих работу SSD-дисков с технологией SLC и дисков с ячейками MLC.

Таблица явно говорит обо всех преимуществах и недостатках этих технологий. В ней видно превосходство SLC решений над MLC, но не указан главный критерий популярности SSD-дисков – их цена. Указывать ее и нет смысла ввиду быстрого удешевления таких решений. Скажем лишь, что MLC диски хоть и уступают во всем SLC, но они более чем в два раза выигрывают в цене и могут быть компактнее при тех же объемах хранимых данных.

Структура SSD-диска: размер ячейки, страницы, блока NAND-памяти

Для более эффективного использования элементарных ячеек памяти они были объединены в массивы с несколько уровневой структурой. Одна ячейка хранящая один (для SLC) или, как правило, два (для нынешнего поколения MLC) бита данных, объединена в группу названную страницей и вмещающую 4 КБ данных.

Специальные алгоритмы для работы с SSD-дисками

Ввиду ограниченности циклов записи/стирания ячеек флеш-памяти разработчикам пришлось составить правильный алгоритм работы SSD-диска, позволяющий равномерно «изнашивать» всё его запоминающее пространство. Как уже было нами отмечено, весь объем диска делится на блоки размером 512 КБ, а они в свою очередь на страницы емкостью 4 КБ, на которые осуществляются операции чтения и записи. Но как только вы записали информацию на страницу, она не может быть перезаписана до тех пор, пока не будет очищена. Проблема заключается в том, что минимальный размер записываемой информации не может быть меньше 4 КБ, а стереть данные можно минимум блоками по 512 КБ. Для этого контроллер группирует и переносит данные (этот алгоритм мы опишем ниже) для освобождения целого блока. Эта операция приводит к увеличению времени отклика и сокращению ресурс SSD, но чем-то приходится жертвовать.

Поговорим об алгоритме записи/удаления.

После запроса на запись от операционной системы, контроллер носителя определяет размер и структуру информации. При наличии достаточного числа пустых блоков выделяется новый блок, на который и копируются переданные ОС для записи данные. Однако по мере заполнения диска и уменьшению достаточного числа пустых блоков данная операция существенно усложняется. Контроллер все чаще ищет максимально подходящий (по количеству свободных страниц), частично занятый блок и переписывает его в пустой блок, совмещая его с данными, пришедшими от ОС для записи, что полностью заполняет его. Старый блок затем очищается. При таком алгоритме мы получаем один полностью заполненный блок и один пустой, который зачисляется в группу пустых блоков, доступных для записи. При запросе на запись, контроллер использует только блоки из этой группы.

В своем оснащении контроллер обычно имеет 10 каналов, в частности таким количеством каналов обладает контроллеры SSD-дисков от Intel. Весь пул микросхем равномерно закреплен за каждым каналом обмена данных. На данном этапе развития технологий работы SSD-дисков, микросхемы памяти, взаимодействующие с первым каналом, не могут пересекаться на операциях со вторым, третьим и последующими каналами, но данная проблема вполне может разрешиться в недалеком будущем. Вполне логично бы было использовать «плавающие» связи для всей памяти, размещенной на диске. Часто возникает необходимость записи очереди из мелких данных, тогда контроллер автоматически распределяет весь блок по всем каналам, но связь между ячейками сохраняется, т.к. этот кусок данных является одной логической единицей.

Операция удаления данных тоже напрямую зависит от объема и размещения удаляемых данных. Если вся информация, записана в одном блоке или в группе блоков, полностью занимая их, то блок/блоки попросту очищаются и помечаются как пустые и готовые для последующей записи с максимально возможной скоростью. Но данный идеальный случай встречается не всегда.

Если необходимо удалить не весь блок, а несколько страниц, находящихся в нем, то контроллер удаляет данные логически, не стирая их, а просто помечая данные страницы как удаленные. В дальнейшем оставшаяся информация будет скомпонована с новой, пришедшей для записи, и записана в пустой блок, а исходный блок, как уже было описано в алгоритме записи, будет полностью удален и помечен как пустой.

Зачем нужен Тримминг?

Это еще одна немаловажная технология, обеспечивающая более равномерный износ SSD-диска и более быструю работу с данными за счет команды TRIM. Она позволяет выстроить цепочку и определить приоритет освобождаемых блоков. Раньше данная операция была возложена на ОС, но современные SSD-контроллеры уже поддерживают данную функцию аппаратно в прошивках накопителей. Время выполнение операции по «зачистке» блоков связано по экспоненте со свободным объемом на диске. Чем меньше информации и больше свободного места, тем быстрее происходит «тримминг» на SSD. По мере заполнения диска до 75% функция очистки все еще не сильно выражена относительно простоя. Но, как только остаётся менее 15% свободного места, «триммирование» становится затруднительным. Естественно, часть зависимости полностью обуславливается типом информации (статичная, т.е. редко перемещаемая и в основном только читаемая, или динамическая). Согласно исследованию IBM идеальные условия работы SSD, когда он заполнен менее, чем на 75% и соотношения статической и динамической части информации 3 к 1.

TRIM является неотъемлемой частью современных твердотельных накопителей. Он обеспечивает прирост производительности при заполнении данными дисков более чем на 2/3, за счет правильной сортировки блоков и подготовке их к записи. Это позволяет сократить разницу в скорости работы нового и уже заполнено на 75% диска до 2-3%.

Не стоит забывать, что по умолчанию операционная система настроена на работу с обычным HDD диском, а значит пользователю обязательно необходимо, отключить «старые» механизмы увеличения скорости работы магнитного диска, а так же алгоритмы дефрагментации. Кроме того, важно побеспокоиться о неполном использовании всего пространства своего SSD-диска.

Для чего используется кэш-буфер на SSD-дисках?

Кэш-буфер на SSD-дисках не применяется для ускорения процедуры записи/чтения как это принято для HDD-накопителей. Его объем даже не указывается в технических спецификациях SSD основной массой производителей. Он и не может считаться обычной кэш-памятью, как мы это привыкли понимать. Кэш-память на SSD дисках используется динамически, для хранения таблиц размещения и занятости ячеек диска. Параллельно в ней может храниться временная информация со стираемых ячеек, при нехватке пустого места на диске. Таблицы представляют собой трехмерную матрицу, и являются основным помощником для контроллера SSD. Основываясь на этих данных, диск принимает решения о стирании дополнительных ячеек. В нем так же хранится информация о частоте и интенсивности использования каждого доступного блока на диске. Кроме того, здесь записаны адреса «мест», где невозможно осуществить запись, ввиду физического износа.

Контроллер SSD-диска

Очень важным и постоянно усовершенствуемым элементом SSD-накопителя является его контроллер. Главной задачей контроллера является обеспечение операций чтения и записи, но в виду массы физических особенностей SSD-накопителя, контроллер также отвечает за управление структурой размещения данных. Основываясь на матрице размещения блоков, в какие ячейки уже проводилась запись, а в какие еще нет, контроллер оптимизирует скорость записи и обеспечивает максимально длительный срок службы вашего SSD-диска. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Как мы уже говорили выше, они объединены в страницы объемом по 4 Кбайта, и записать информацию можно только полностью заняв страницу. Стирать данные можно по блокам, которые равны 512 Кбайт. Все эти ограничения накладывают определенные обязанности на правильный интеллектуальный алгоритм работы контроллера. Поэтому правильно настроенный и оптимизированный контролер может существенно изменить как скоростные показатели, так и долговечность работы SSD-диска.

Итоги

На данный момент пока еще рано говорить о полной победе SSD-накопителей над магнитными дисками. Если учитывать объем и скорость работы SSD-накопителя, сравнивая их с аналогичными параметрами для традиционных HDD, то главным сдерживающим фактором перехода на твердотельные диски все еще останется их цена. Анализ нескольких последних лет показал нежелание производителей снижать цену на NAND-память. Только последние полгода можно наблюдать небольшую тенденцию по снижению цены на SSD, и то это, скорее всего, обусловлено спадом потребительского спроса, что вызвано мировым кризисом. Твердотельные накопители уже несколько лет представлены в широком ассортименте на мировом рынке, но даже такой значительный для цифровых технологий срок не смог повлиять на их конкурентоспособность по критерию «цена за ГБ хранимой информации» по отношению к магнитным дискам. Плотность записи на один магнитный диск постоянно увеличивается, что способствует выпуску все более емких моделей (на данный момент широко доступны HDD емкостью 2 ТБ). Такое распределение рынка может заставить покупателя отдать предпочтение SSD накопителю только в случае острой необходимости в скорости чтения или стойкости к вибрации/удару, но основной объем информации все равно будет храниться на классических жестких дисках.

Достоинства и недостатки SSD по сравнению с магнитными дисками HDD:

Достоинства:

• намного большая скорость чтения;
• полное отсутствие шума;
• надежность ввиду отсутствия движущихся частей;
• малое энергопотребление;
• высокая устойчивость к вибрационным нагрузкам.

Недостатки:

• высокая стоимость за каждый ГБ сохраняемой информации;
• ограниченное количество циклов записи и удаления данных.

Статья прочитана 10888 раз(а)

Подписаться на наши каналы

Производительность и срок службы SSD в первую очередь зависят от флэш-памяти NAND и контроллера с прошивкой. Они являются основными составляющими цены накопителя, и при покупке логично обращать внимание именно на эти компоненты. Сегодня мы поговорим о NAND.

Тонкости технологического процесса производства флэш-памяти вы при желании найдете на сайтах, специализирующихся на обзорах SSD. Моя же статья ориентирована на более широкий круг читателей и преследует две цели:

1. Приоткрыть завесу над невнятными спецификациями, опубликованными на сайтах производителей SSD и магазинов.
2. Снять вопросы, которые могут у вас возникнуть при изучении технических характеристик памяти разных накопителей и чтения обзоров, написанных для «железных» гиков.

Для начала я проиллюстрирую проблему картинками.

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.

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.

Все производители SSD покупают NAND у вышеперечисленных компаний, поэтому в разных накопителях может стоять фактически одинаковая память, даже если ее марка отличается.

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.

Типы памяти NAND: SLC, MLC и TLC

Это три разных типа NAND, главным технологическим отличием между которыми является количество битов, хранящихся в ячейке памяти.

SLC является самой старой из трех технологий, и вы вряд ли найдете современный SSD с такой NAND. На борту большинства накопителей сейчас MLC, а TLC - это новое слово на рынке памяти для твердотельных накопителей.

Вообще, TLC давно используется в USB-флэшках, где выносливость памяти не имеет практического значения. Новые технологические процессы позволяют снизить стоимость гигабайта TLC NAND для SSD, обеспечивая приемлемое быстродействие и срок службы, в чем логично заинтересованы все производители.

Занятно, что пока широкая публика обеспокоена ограниченным количеством циклов перезаписи SSD, по мере развития технологий NAND этот параметр только снижается!

Как определить конкретный тип памяти в SSD

Вне зависимости от того, приобрели вы твердотельный накопитель или только планируете покупку, после прочтения этой записи у вас может возникнуть вопрос, вынесенный в подзаголовок.

Ни одна программа тип памяти не показывает. Эту информацию можно найти в обзорах накопителей, но есть и более короткий путь, особенно когда нужно сравнить между собой несколько кандидатов на покупку.

На специализированных сайтах можно найти базы данных по SSD, и вот вам пример .

Я без проблем нашел там характеристики памяти своих накопителей, за исключением SanDisk P4 (mSATA), установленного в планшете.

В каких SSD установлена самая лучшая память

Давайте сначала пройдемся по основным пунктам статьи:

• производителей NAND можно пересчитать по пальцам одной руки
• в современных твердотельных накопителях используется два типа NAND: MLC и TLC, только набирающая обороты
• MLC NAND различается интерфейсами: ONFi (Intel, Micron) и Toggle Mode (Samsung, Toshiba)
• ONFi MLC NAND делится на асинхронную (дешевле и медленнее) и синхронную (дороже и быстрее)
• производители SSD используют память разных интерфейсов и типов, создавая разнообразный модельный ряд на любой кошелек
• официальные спецификации редко содержат конкретную информацию, но базы данных SSD позволяют точно определить тип NAND

Конечно, в таком зоопарке не может быть однозначного ответа на вопрос, вынесенный в подзаголовок. Вне зависимости от бренда накопителя, NAND соответствует заявленным спецификациям, иначе ОЕМ-производителям нет смысла ее покупать (они дают на SSD свою гарантию).

Однако… представьте, что лето вас порадовало небывалым урожаем земляники на даче!

Она вся сочная и сладкая, но вам просто не съесть столько, поэтому вы решили продать часть собранных ягод.

Самую лучшую землянику вы оставите себе или выставите на продажу? :)

Можно предположить, что производители NAND устанавливают самую лучшую память в свои накопители. Учитывая ограниченное количество компаний, выпускающих NAND, список производителей SSD получается еще короче:

• Crucial (подразделение Micron)
• Intel
• Samsung

Опять же, это лишь предположение, не подкрепленное достоверными фактами. Но разве вы поступили бы иначе на месте этих компаний?