Тип памяти SSD накопителей

Типы памяти ССД 2021

 Подавляющее большинство SSD-накопителей, представленных на рынке, основано на флэш-памяти типа NAND (существует еще флэш-память с организацией NOR, используемая для хранения исполняемого кода — например, БИОСа в ПК или ОС в телефонах). В зависимости от того, сколько битов данных (от одного до пяти) можно сохранить в ячейке, они, соответственно, разделяются на следующие типы: SLC, MLC, TLC, QLC память (уже выпускаются) и PLC (находится в разработке). Когда ячейки размещены в одной плоскости, говорят о планарной или 2D NAND (старый, но до сих пор встречающийся тип ячеек памяти SSD), а когда они собраны в трехмерную структуру — о 3D NAND (отдельные ее разновидности называются V-NAND или BiSC).

SSD: типы памяти и устройство ячейки

 Как хранятся данные в электронных системах? Как можно заставить «запоминать» электричество? Довольно просто: переведя информацию в последовательность из минимальных, простейших единиц — битов, каждый из которых может принимать только два состояния — «есть заряд» или «нет заряда». «Да» или «нет», «1» или «0», «true» или «false».

 Где и как хранятся эти значения? Любая ячейка памяти, будь то SLC, MLC, TLC или QLC память — это микроскопический транзистор. Суть работы каждого транзистора (их разновидностей очень много) — в том, что электричество проходит через него, между стоком/коллектором и истоком/эмиттером, лишь при определенных условиях, регулируемых подачей управляющего тока на затвор/базу. Для флэш-памяти используются полевые (так называется вид) транзисторы с двумя затворами: обычным (управляющим) и специальным (плавающим).

 Затворы в этих транзисторах отделены слоем диэлектрика; при подаче на затвор напряжения тот генерирует электромагнитное поле, влияющее на среду между стоком и истоком. Когда на затворе нет напряжения, ток не проходит через транзистор, есть — проводится.
В отличие от обычного, второй, плавающий затвор окружен диэлектриком и не имеет выходов наружу. Таким образом:

• если записать в плавающий затвор заряд, то он сохранится там даже при обесточивании носителя (SSD или флэшки);

• если заряд противоположен тому, что подается на управляющий затвор, эти заряды начинают взаимно компенсировать друг друга, и, в результате, напряжение подано на затвор, а ток через транзистор не протекает (до тех пор, пока напряжение не превысит некое пороговое значение).

 Получается, что мы можем сохранять состояние ячейки — тот самый бит: «есть заряд» или «нет заряда», пока SSD обесточен; и в любой момент — подавая напряжение на затвор и проверив, идет ли ток между истоком и стоком, прочитать его значение.

PLC/QLC/TLC/MLC/SLC — отличия памяти SSD

 Что делать, если понадобится хранить два бита в одном транзисторе? Каждый бит может принимать значение «0»/«1», а когда этих битов два, то в такой ячейке могут находиться всего лишь четыре возможных комбинации: «00», «01», «10» и «11». Для того чтобы их хранить и  отличать друг от друга, потребуется немного более изящная работа с ячейкой, учитывающая не только наличие, но и уровень заряда в плавающем затворе. Ведь в зависимости от его величины для открытия транзистора нам потребуется большее или меньшее напряжение. А значит, достаточно будет разделить величину, которую может принимать заряд, на четыре интервала (и соответственно ввести три пороговых значения), сопоставить их каждой из комбинаций и, последовательно повышая напряжение на управляющем затворе, выяснить, какой набор битов находится в ячейке.

 Но двумя битами возможности современной NAND-памяти не ограничиваются:

• SLC («Single Level Cell», одноуровневая ячейка) – самый старый тип памяти NAND, где на каждую ячейку приходится по одному биту информации (в ячейке хранится одно из двух значений — «0» или «1»).

• MLC («Multi Level Cell», многоуровневая ячейка) — содержит два бита информации. Количество возможных значений в такой ячейке возрастает до четырех — «00», «01», «10», «11», а пороговых напряжений необходимо три.

• TLC («Triple Level Cell», трехуровневая ячейка) — тип ячеек памяти SSD, содержащий три бита информации. Число значений снова увеличилось вдвое: «000», «001», «010», «011», «100», «101», «110» и «111». Число пороговых напряжений — семь.

• QLC («Quad Level Cell», четырехуровневая ячейка), содержащая, соответственно, четыре бита. Здесь количество возможных значений уже равняется 16: «0000», «0001», «0010», «0011», «0100», «0101», «0110», «0111», «1000», «1001», «1010», «1011», «1100», «1101», «1110», «1111» — и требует 15 пороговых напряжений.

• PLC («Penta Level Cell», пятиуровневая ячейка). Этот тип флеш памяти SSD только проанонсирован к выпуску и будет содержать 5 битов на ячейку, количество возможных значений — 32: «00000», «00001», «00010», «00011», «00100», «00101», «00110», «00111», «01000», «01001», «01010», «01011», «01100», «01101», «01110», «01111», «10000», «10001», «10010», «10011», «10100», «10101», «10110», «10111», «11000», «11001», «11010», «11011», «11100», «11101», «11110», «11111»; пороговых напряжений — 31.

 Исторически название MLC появилось задолго до того, как производители задумались о дальнейшем увеличении количества битов на ячейку памяти SSD. С появлением типов памяти TLC и QLC, вероятно, логичнее было бы переименовать двухуровневые ячейки, например, в DLC: ведь фактически все двух-, трех- и четырехбитные ячейки являются многоуровневыми, «multi». Но менять сложившееся название не стали. В результате компания Samsung традиционно использует эту терминологию в свою пользу, называя TLC или QLC-чипы у своих твердотельных накопителей «трехуровневыми» (или «четырехуровневыми») MLC. Разумеется, это никакая не MLC память, а все те же новые-добрые TLC или QLC, но пользователям приятно, и рука сама собой тянется нажать на кнопку «Купить».

Что лучше: TLC или MLC память? («больше» — не всегда «лучше»)

 Мы привыкли воспринимать новизну синонимом прогресса. Новое — значит, обязательно быстрее, экономичнее и удобнее старого. В этом плане эволюция типов памяти SSD может показаться парадоксальной. Переход от SLC к MLC, TLC или QLC, конечно, обеспечивает увеличение объемов и удешевление накопителей, но надежность, долговечность и скорость при каждом добавлении уровня «проседает». Почему же так получается?

 Для начала вспомним про то, что основной износ SSD-накопителя приходится на операции записи и стирания. Для записи обеспечивается разность потенциалов на управляющем затворе и стоке, для очистки ячейки — на затворе и истоке. И чтобы «достучаться» до плавающего затвора сквозь слой диэлектрика, уровень напряжения должен быть значительно выше, чем для считывания данных. С каждым из этих действий диэлектрик постепенно разрушается, возрастает риск утечки заряда в соседние ячейки, а сам транзистор в какой-то момент выходит из строя.

 И помимо того, что у многоуровневых ячеек SSD само по себе увеличивается количество таких травматичных операций (ведь теперь на них приходится не один, а два-три-четыре бита, каждый из которых может меняться), возникают и дополнительные проблемы. Возрастает «усиление записи» — неприятное явление, когда количество фактических операций записи в память ССД заметно больше того, что требуется для файлов, переданных от ОС. Усиление записи вызывает, например, сборка мусора, при которой происходит перезапись актуальной информации на свободное место, чтобы иметь возможность очистить блок от ненужных данных (мы об этом рассказывали в статье «Контроллеры SSD»). Как ни странно, на усиление записи влияет и выравнивание износа, призванное, наоборот, продлевать жизнь диску: во время него так называемые «холодные данные» (записанную некогда информацию, остающуюся практически неизменной) перезаписывают в блоки, ранее занятые «горячими» (теми, что часто изменяются). И этих негативных явлений тем больше, чем больше битов размещено в ячейке.
 Технология SLC-кэширования, распространенная в SSD на TLC и QLC-чипах, тоже приводит к усилению записи. Когда количество ячеек, отведенных на псевдо-SLC кэш (в который пишется по одному биту информации на трех- или четырехбитную ячейку) исчерпывается, то данные необходимо «уплотнить». И делается все это через перезапись с последующим стиранием: ведь невозможно просто дозаписать пару-тройку битов в транзистор.
 И, наконец, увеличение записи и стирания, связанное с коррекцией ошибок. Чем больше у нас уровней на одну ячейку памяти SSD и пороговых напряжений, тем виртуознее должно быть помещение заряда в плавающий затвор. Небольшая неточность — и вот уже вместо «10011» мы имеем «10010» или «10100». Естественно, что после коррекции необходимо перезаписать правильные данные в другую ячейку, а страницы с неверными значениями подвергнуть очистке.

 С повышением числа уровней в ячейках возникают и проблемы со скоростью SSD. Все больше времени тратится на считывание данных: ведь теперь, перебирая пороговые напряжения, требуется произвести (в случае QLC-ячеек) до 15 попыток открыть транзистор. Из-за того, что контроллер должен точно различать границы между пороговыми напряжениями, его прошивка становится громоздкой и должна содержать все более сложные механизмы ECC (коррекции ошибок), что также замедляет работу накопителя.

 Почему производители идут на такие меры? Ответ очевиден. Если говорить об объеме, то переход от SLC к MLC памяти увеличивает емкость диска в два раза, TLC — добавляет 50% емкости по сравнению с MLC, QLC — 33% от TLC, а PLC должно добавить 25% емкости в сравнении с QLC. Соответственно, диск, использующий память QLC, обходится производителю (и, в итоге, пользователю) намного дешевле, чем SSD-накопитель с ячейками MLC (SLC SSD с их высокой стоимостью сейчас можно встретить только в корпоративном сегменте). И запрос на увеличение объема накопителей и их ценовой доступности для пользовательского сегмента в приоритете. А вот потребность в высокоскоростных, очень долговечных дисках скромных объемов за высокую цену — значительно меньше: настолько, насколько офисные «трудяги» и ПК для семьи, социального общения, учебы и серфинга в интернете преобладают над компьютерами для геймеров и высокопрофессиональных задач.

Что такое 3D NAND, V-NAND и BiCS

 Как можно заметить, к каким бы негативным последствиям ни приводила погоня за емкостью ССД, потребность в накопителях большого объема есть и продолжает расти. И в этом плане переход от SLC к MLC ячейкам был отнюдь не первым способом повышения емкости чипов NAND и, соответственно, твердотельных накопителей. Наиболее очевидным путем являлось усовершенствование техпроцесса: уменьшение размеров ячеек, так, чтобы их можно было разместить в кристалле как можно больше. От 80-90 нм в 2004 производители сумели достигнуть 15-16 нм к 2015 — и на тот момент это был предел. При дальнейшем уменьшении размера в ячейках оставалось бы слишком мало электронов для того, чтобы обеспечить надежное считывание, а заряд мог перетекать из одной ячейки в другую.

 Ответом на этот вызов вначале стало появление MLC, а затем и TLC чипов памяти. Но было очевидно, что это всего лишь временный выход из ситуации. Невозможно до бесконечности добавлять и добавлять уровни: технологии контроллеров SSD перестанут справляться с точностью записываемых и считываемых данных и возникающими ошибками, а каждый дополнительный бит ячейки снижает скорость и сокращает срок службы накопителей. И хотя сейчас производители анонсируют выпуск PLC-чипов, есть ли будущее у еще большего количества уровней, пока неизвестно.

 Решение пришло в виде технологии 3D-NAND — перехода от двумерного, планарного массива ячеек к трехмерному размещению и повышению емкости за счет увеличения высоты кристалла. Первопроходцем этого метода оказалась Samsung с 24-слойными, а затем 32- и 48-слойными чипами V-NAND (Vertical NAND). Затем по ее стопам пошли Intel и Micron: правда, их 32-слойная память проигрывала по характеристикам V-NAND, и лишь второе, 64-слойное поколение памяти, оказалось конкурентоспособным. Компании Toshiba (ныне — Kioxia) и SanDisk, объединившиеся для совместной разработки трехмерного продукта BiCS 3D NAND, предпочли не форсировать события, а дождаться, пока производство 3D-памяти станет рентабельным, и вышли на массовый рынок уже на этапе 48- и 64-слойных чипов.

 Переход в «третье измерение» позволил не только увеличить количество ячеек в кристалле NAND, но и при желании расширить расстояние между ними, а также прекратить балансировать на грани «самого тонкого техпроцесса», возвратившись к надежным в эксплуатации и дешевым в изготовлении технологиям более 20 нм. Положительно сказалась новая технология на ресурсе SSD дисков еще и за счет возможности повысить количество избыточного пространства (для служебных операций и замены вышедших из строя блоков памяти).

 И помимо этого с переходом к вертикальному размещению большинство производителей переосмыслили саму структуру ячеек.
 Во-первых, на смену традиционным транзисторам с плавающим затвором пришла их новая улучшенная разновидность — память с ловушкой заряда, CTF (Charge Trap Flash). В отличие от плавающего затвора, являвшегося проводником, окруженным диэлектриком, ловушка (область хранения заряда) — сама по себе состоит из тоненькой пленки нитрида кремния, изолятора, способного, тем не менее, удерживать электроны. Использование такой технологии позволяет минимизировать утечку заряда и, соответственно, повысить надежность хранения данных одновременно с возможностью задействовать тонкие техпроцессы. Для зарядки такой ячейки не нужно столь высокого напряжения, как для плавающего затвора, и это значительно повышает ресурс циклов перезаписи SSD. А вследствие уменьшения количества технологических операций (приблизительно на 20%) и повышения выхода пригодных к эксплуатации ячеек, уменьшается себестоимость производства.
 Во-вторых, изменилась архитектура ячеек. Теперь они имеют форму цилиндра, где внешний слой — управляющий затвор, «обернутый» вокруг ловушки заряда, а в центре проходит единый для всего вертикального стека из ячеек канал. За счет такого строения уменьшилось влияние ячеек на ближайших «соседей», характерное для планарных NAND, что позволило упростить алгоритмы записи и тем самым ее ускорить.

В итоге по состоянию на 2013 год архитектура V-NAND позволяла выполнять операции чтения и записи в два раза быстрее, чем планарные NAND, и могла работать в 10 раз дольше, потребляя при этом вдвое меньше энергии.

Особенности 3D-NAND различных производителей:

• Компании Intel и Micron оставались последними приверженцами использования транзисторов с плавающим затвором. Управляющие элементы в памяти от Micron располагаются под ячейками NAND, что позволяет значительно уменьшить площадь чипов. После прекращения партнерства с Intel, Micron перешел в своих новых разработках на транзисторы с ловушкой заряда (CTF), что предположительно должно привести к серьезному улучшению характеристик и быстродействия чипов. В свою очередь, Intel пришел к решению полностью уйти из производства памяти NAND и продал свои активы SK Hynix.

• BiCS (Bit Cost Scalable) 3D NAND от Toshiba и SanDisk (WD) отличается интересным решением: ячейки памяти этих чипов сгруппированы в U-образную структуру, а управляющие элементы расположены в верхней области кристалла. По мнению производителей, это должно уменьшить их нагревание, вызывающее ошибки записи и чтения, и позволит достигнуть максимальных скорости и надежности работы.

• Чипы SK Hynix построены на базе транзисторов с ловушкой заряда, но в дизайне производитель придерживается той же схемы, что и Micron, убирая управляющие элементы под ячейки NAND.

 Впрочем, у технологии 3D-NAND есть и свои сложности. Многослойность (в 2021 году анонсирован выпуск 176-слойных чипов NAND памяти, а компания SK Hynix и вовсе обещает достичь в будущем 600 слоев) подразумевает невероятно тонкую работу по совмещению слоев и протравливанию сквозных каналов так, чтобы те проходили строго вертикально, были одинакового диаметра на всем своем протяжении и предельно точно пересекались с соответствующими элементами в каждом слое. Малейшая ошибка — и в «лучшем» случае чипы памяти SSD перестают соответствовать проектным характеристикам, а в худшем — увеличится выход брака. Один из способов борьбы с этим — склейка: совмещение, например, двух 48-слойных чипов так, чтобы они работали как единая 96-слойная микросхема. Но этот метод сам по себе требует очень точного совпадения границ в получаемом «бутерброде», хотя лучше окупается по сравнению с наращиванием большого количества слоев в рамках одного кристалла.

Какой тип памяти SSD лучше?

 Итак, какой тип чипов памяти SSD выбрать при покупке накопителя? Какой тип флеш памяти SSD будет оптимальным для конечного пользователя? Что лучше — MLC или TLC?

 Если брать какие-то общие тенденции, то MLC будет лучше (быстрее и долговечнее, хотя и дороже), чем TLC, TLC — лучше, чем QLC. 3D предпочтительнее планарных чипов, вплоть до того, что 3D TLC с большой вероятностью по всем характеристикам может превзойти 2D MLC. Тенденции развития продукции Intel и Micron, построенной на транзисторах с плавающим затвором, похоже, определенно указывают на то, что стоит отдавать предпочтение памяти с ловушкой заряда (все остальные производители 3D NAND и Micron, начиная со 128-слойных чипов; как определить тип памяти SSD при помощи программы Flash Tool мы пошагово описали в статье «Как определить контроллер SSD-накопителя»). И, пожалуй, невозможно однозначно сказать, лучше ли V-NAND от Samsung, BiCS от Toshiba/SanDisk или реже встречающиеся чипы от Hynix.

 Но прежде всего стоит учитывать, что выбор SSD на тех или иных чипах, едва ли не в первую очередь зависит как от бюджета, так от сферы использования компьютера. Если геймерам и профессионалам, использующим ПК для высокопродуктивных задач, есть смысл вложиться в приобретение 3D MLC SSD, а для среднего, но достаточно мощного десктопа оптимальной будет связка из небольшого, но качественного, твердотельника на 3D TLC-чипах и HDD для файлового хранилища, то у недорогих ноутбуков «для офиса и школы» идеальным решением как раз может оказаться достаточно емкий SSD на QLC-чипах, которого хватит для системы, офисных программ и пользовательских файлов.

Автор: Catman Bast