Тип пам'яті SSD накопичувачів

Типи пам'яті ССД 2021

Переважна більшість SSD-накопичувачів, представлених на ринку, засноване на флеш-пам'яті типу NAND (існує ще флеш-пам'ять з організацією NOR, використовувана для зберігання виконуваного коду — наприклад, Біоса в ПК або ОС в телефонах). В залежності від того, скільки бітів даних (від одного до п'яти) можна зберегти в комірці, вони, відповідно, поділяються на такі типи: SLC, MLC, TLC, QLC пам'ять (вже випускаються) і PLC (знаходиться в розробці). Коли осередку розміщені в одній площині, говорять про планарної або 2D NAND (старий, але до цих пір зустрічається тип комірок пам'яті, SSD), а коли вони зібрані в тривимірну структуру — про 3D NAND (окремі її різновиди називаються V-NAND або BiSC).

SSD: типи пам'яті та пристрій осередку

Як зберігаються дані в електронних системах? Як можна змусити «запам'ятовувати» електрика? Досить просто: перевівши інформацію у послідовність з мінімальних, найпростіших одиниць — біт, кожний з яких може приймати тільки два стани — «є заряд» або «немає заряду». «Так» або «ні», «1» або «0», «true» або «false».

Де і як зберігаються ці значення? Будь-яка комірка пам'яті, будь то SLC, MLC, TLC або QLC пам'ять — це мікроскопічний транзистор. Суть роботи кожного транзистора (їх різновидів дуже багато) — в тому, що електрика проходить через нього, між стоком/колектором і витоком/емітером, лише при певних умовах, регульованих поданням керуючого струму на затвор/базу. Для флеш-пам'яті використовуються польові (так називається вид) транзистори з двома затворами: звичайним (управителем) і спеціальним (плаваючим).

Затвори в цих транзисторах відокремлені шаром діелектрика; при подачі на затвор напруги той генерує електромагнітне поле, що впливає на середовище між стоком і витоком. Коли на затворі немає напруги, струм не проходить через транзистор, є — проводиться.
На відміну від звичайного, другий, плаваючий затвор оточений діелектриком і не має виходів назовні. Таким чином:

• якщо записати в плаваючий затвор заряд, то він збережеться там навіть при знеструмленні носія (SSD або флешки);

• якщо заряд протилежний тому, що подається на керуючий затвор, ці заряди починають взаємно компенсувати один одного, і, в результаті, напруга подано на затвор, а струм через транзистор не протікає (до тих пір, поки напруга не перевищить деяке граничне значення).

Виходить, що ми можемо зберігати стан комірки — той самий біт: «є заряд» або «немає заряду», поки SSD знеструмлено; і в будь-який момент — подаючи напругу на затвор і перевіривши, чи йде струм між витоком і стоком, прочитати його значення.

PLC/QLC/TLC/MLC/SLC — відмінності пам'яті SSD

Що робити, якщо знадобиться зберігати два біта в одному транзисторі? Кожен біт може приймати значення «0»/«1», а коли цих бітів два, то в такій клітинці можуть перебувати лише чотири можливих комбінації: «00», «01», «10» і «11». Для того, щоб їх зберігати і відрізняти один від одного, потрібно трохи більш витончена робота з осередком, що враховує не тільки наявність, але і рівень заряду в плаваючому затворі. Адже в залежності від його величини для відкриття транзистора нам потрібно більшу або меншу напругу. А це означає, що достатньо буде розділити величину, яку може приймати заряд, на чотири інтервалу (і відповідно ввести три порогових значення), зіставити їх кожній з комбінацій і, послідовно підвищуючи напругу на керуючому затворі, з'ясувати, який набір бітів знаходиться в комірці.

Але двома бітами можливості сучасної NAND-пам'яті не обмежуються:

• SLC («Single Level Cell», однорівнева осередок) – найстаріший тип пам'яті NAND, де на кожну комірку припадає по одному біту інформації (в комірці зберігається одне з двох значень — «0» або «1»).

• MLC («Multi Level Cell», багаторівнева осередок) — містить два біти інформації. Кількість можливих значень в такій комірці зростає до чотирьох— «00», «01», «10», «11», а порогових напруг необхідно три.

• TLC («Triple Level Cell», трирівнева осередок) — тип комірок пам'яті, SSD, що містить три біта інформації. Число значень знову збільшилася вдвічі: «000», «001», «010», «011», «100», «101», «110» і «111». Число порогових напруг — сім.

• QLC («Single Level Cell», чотирирівнева осередок), що містить, відповідно, чотири біта. Тут кількість можливих значень вже дорівнює 16: «0000», «0001», «0010», «0011», «0100», «0101», «0110», «0111», «1000», «1001», «1010», «1011», «1100», «1101», «1110», «1111» — і вимагає 15 порогових напруг.

• PLC («Penta Level Cell», п'ятирівнева осередок). Цей тип флеш пам'яті SSD тільки проанонсований до випуску і буде містити 5 бітів на клітинку, кількість можливих значень— 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»; порогових напруг — 31.

Історично назву MLC з'явилося задовго до того, як виробники задумалися про подальше збільшення кількості бітів на комірку пам'яті SSD. З появою типів пам'яті TLC і QLC, ймовірно, логічніше було б перейменувати дворівневі клітинки, наприклад, в DLC: адже фактично всі двох-, трьох - і четырехбитные комірки є багаторівневими, «multi». Але змінювати усталену назву не стали. В результаті компанія Samsung традиційно використовує цю термінологію в свою користь, називаючи TLC або QLC-чіпи у своїх твердотільних накопичувачів «трехуровневыми» (або «четырехуровневыми») MLC. Зрозуміло, це ніяка не MLC пам'ять, а всі ті ж нові-добрі TLC або QLC, але користувачам приємно, і рука сама собою тягнеться натиснути на кнопку «Купити».

Що краще: TLC або MLC пам'ять? («більше» — не завжди «краще»)

Ми звикли сприймати новизну синонімом прогресу. Нове — значить, обов'язково швидше, економічніше і зручніше старого. В цьому плані еволюція типів пам'яті SSD може здатися парадоксальною. Перехід від SLC до MLC, TLC або QLC, звичайно, забезпечує збільшення обсягів і здешевлення накопичувачів, але надійність, довговічність і швидкість при кожному додаванні рівня «просідає». Чому ж так виходить?

Для початку згадаємо про те, що основний знос SSD-накопичувача припадає на операції запису і стирання. Для запису забезпечується різниця потенціалів на керуючому затворі і стоці, для очищення осередку — на затворі і витоку. І щоб «достукатися» до плаваючого затвора крізь шар діелектрика, рівень напруги повинен бути значно вище, ніж для зчитування даних. З кожним з цих дій діелектрик поступово руйнується, зростає ризик витоку заряду в сусідні клітинки, а сам транзистор в якийсь момент виходить з ладу.

І крім того, що у багаторівневих осередків SSD саме по собі збільшується кількість таких травматичних операцій (адже тепер на них припадає не один, а два-три-чотири біта, кожен з яких може змінюватися), виникають і додаткові проблеми. Зростає «посилення запису» — неприємне явище, коли кількість фактичних операцій запису в пам'ять ССД помітно більше того, що потрібно для файлів, переданих від ОС. Посилення запису викликає, наприклад, збирання сміття, при якій відбувається перезапис актуальної інформації на вільне місце, щоб мати можливість очистити блок від непотрібних даних (ми про це розповідали у статті «Контролери SSD»). Як не дивно, на посилення запису впливає і вирівнювання зносу, покликане, навпаки, продовжувати життя диску: під час нього так звані «холодні дані» (записану інформацію колись, залишається практично незмінною) перезаписують в блоки, раніше зайняті «гарячими» (тими, що часто змінюються). І цих негативних явищ тим більше, чим більше бітів розміщене в комірці.
Технологія SLC-кешування, поширена в SSD на TLC і QLC-чіпах, теж призводить до посилення запису. Коли кількість клітинок, відведених на псевдо-SLC кеш (в який пишеться по одному біту інформації на трьох - або четырехбитную клітинку) вичерпується, то дані необхідно «ущільнити». І робиться все це через перезапис з подальшим стиранням: адже неможливо просто дозаписать пару-трійку бітів в транзистор.
І, нарешті, збільшення запису і стирання, пов'язане з корекцією помилок. Чим більше у нас рівнів на одну комірку пам'яті SSD і порогових напруг, тим віртуозніше повинно бути приміщення заряду в плаваючий затвор. Невелика неточність — і ось вже замість «10011» ми маємо «10010» або «10100». Природно, що після корекції необхідно замінити правильні дані в іншу клітинку, а сторінки з неправильними значеннями піддати очищенню.

З підвищенням числа рівнів в комірках виникають проблеми зі швидкістю SSD. Все більше часу витрачається на зчитування даних: адже тепер, перебираючи порогові напруги, потрібно провести (у разі QLC-осередків) до 15 спроб відкрити транзистор. З-за того, що контролер повинен точно розрізняти межі між граничними напруженнями, його прошивка стає громіздкою і повинна містити все більш складні механізми ECC (корекції помилок), що також уповільнює роботу накопичувача.

Чому виробники йдуть на такі заходи? Відповідь очевидна. Якщо говорити про обсяг, то перехід від SLC до пам'яті MLC збільшує ємність диска в два рази, TLC — додає 50% ємності в порівнянні з MLC, QLC — 33% від TLC, а PLC має додати 25% ємності в порівнянні з QLC. Відповідно, диск, що використовує пам'ять QLC, обходиться виробнику (і, в підсумку, користувачу) набагато дешевше, ніж SSD-накопичувач з осередками MLC (SLC SSD з їх високою вартістю зараз можна зустріти тільки в корпоративному сегменті). І запит на збільшення обсягу накопичувачів і їх цінової доступності для сегменту в пріоритеті. А ось потреба в високошвидкісних, дуже довговічних дисках скромних обсягів за високу ціну — значно менше: настільки, наскільки офісні «трудяги» і ПК для сім'ї, соціального спілкування, навчання і серфінгу в інтернеті переважають над комп'ютерами для геймерів і високопрофесійних завдань.

Що таке 3D NAND, V-NAND і BiCS

Як можна помітити, до яких негативних наслідків ні призводила гонитва за ємністю ССД, потреба в накопичувачі великого обсягу є і продовжує зростати. І в цьому плані перехід від SLC до MLC осередках був зовсім не першим способом підвищення ємності чіпів NAND і, відповідно, твердотільних накопичувачів. Найбільш очевидним шляхом є удосконалення процесу: зменшення розмірів осередків, так, щоб їх можна було розмістити в кристалі як можна більше. Від 80-90 нм в 2004 виробники зуміли досягти 15-16 нм до 2015 — і на той момент це був межа. При подальшому зменшенні розміру в комірках залишалося б занадто мало електронів для того, щоб забезпечити надійне зчитування, а заряд міг перетікати з однієї комірки в іншу.

Відповіддю на цей виклик спочатку стала поява MLC, а потім і TLC чіпів пам'яті. Але було очевидно, що це лише тимчасовий вихід із ситуації. Неможливо нескінченно додавати і додавати рівні: технології контролерів SSD перестануть справлятися з точністю записуваних і зчитувальних даних і виникаючими помилками, а кожен додатковий біт осередку знижує швидкість і скорочує термін служби накопичувачів. І хоча зараз виробники анонсують випуск PLC-чіпів, чи є майбутнє у ще більшої кількості рівнів, поки невідомо.

Рішення прийшло у вигляді технології 3D-NAND — переходу від двовимірного, планарного масиву комірок до тривимірного розміщення та підвищенню ємності за рахунок збільшення висоти кристала. Піонером цього методу виявилася Samsung з 24-слойного, а потім 32 - і 48-слойного чіпами V-NAND (Vertical NAND). Потім по її стопах пішли Intel і Micron: правда, їх 32-шарова пам'ять програвала за характеристиками V-NAND, і лише друге, 64-шарове покоління пам'яті, виявилося конкурентоспроможним. Компанії Toshiba (нині — Kioxia) і SanDisk, які об'єдналися для спільної розробки тривимірного продукту BiCS 3D NAND, вважали за краще не форсувати події, а дочекатися, поки виробництво 3D-пам'яті стане рентабельним, і вийшли на масовий ринок вже на етапі 48 - і 64-шарових чіпів.

Перехід в «третій вимір» дозволив не тільки збільшити кількість осередків в кристалі NAND, але і при бажанні розширити відстань між ними, а також припинити балансувати на межі «самого тонкого техпроцесу», повернувшись до надійним в експлуатації і дешевим у виготовленні технологіями понад 20 нм. Позитивно позначилася нова технологія на ресурсі SSD дисків ще й за рахунок можливості підвищити кількість надлишкового простору (для службових операцій і заміни вийшли з ладу блоків пам'яті).

І крім цього з переходом до вертикального розміщення більшість виробників переосмислили саму структуру осередків.
По-перше, на зміну традиційним транзисторів з плаваючим затвором прийшла їх нова покращена різновид — пам'ять з пасткою заряду, CTF (Charge Trap Flash). На відміну від плаваючого затвора, був провідником, оточених діелектриком, пастка (область зберігання заряду) — сама по собі складається з тоненької плівки нітриду кремнію, ізолятора, здатного, тим не менш, утримувати електрони. Використання такої технології дозволяє мінімізувати витік заряду і, відповідно, підвищити надійність зберігання даних одночасно з можливістю задіяти тонкі техпроцеси. Для зарядки такої клітинки потрібно настільки високої напруги, як для плаваючого затвора, і це значно підвищує ресурс циклів перезапису SSD. А внаслідок зменшення кількості технологічних операцій (приблизно на 20%) і підвищення виходу придатних до експлуатації комірок, зменшується собівартість виробництва.
По-друге, змінилася архітектура осередків. Тепер вони мають форму циліндра, де зовнішній шар — керуючий затвор, «обгорнутий» навколо пастки заряду, а в центрі проходить єдиний для всього вертикального стека з комірок канал. За рахунок такої будови зменшився вплив осередків на найближчих «сусідів», характерне для планарних NAND, що дозволило спростити алгоритми запису і тим самим її прискорити.

В результаті станом на 2013 рік архітектура V-NAND дозволяла виконувати операції читання і запису в два рази швидше, ніж планарні NAND, і могла працювати в 10 разів довше, споживаючи при цьому вдвічі менше енергії.

Особливості 3D-NAND різних виробників:

• Компанії Intel і Micron залишалися останніми прибічниками використання транзисторів з плаваючим затвором. Керуючі елементи в пам'яті від Micron розташовуються під клітинками NAND, що дозволяє значно зменшити площа чіпів. Після припинення партнерства з Intel, Micron перейшов у своїх нових розробках на транзистори з пасткою заряду (CTF), що імовірно повинна призвести до серйозного поліпшення характеристик і швидкодії чіпів. У свою чергу, Intel прийшов до рішення повністю піти з виробництва пам'яті NAND і продав свої активи SK Hynix.

• BiCS (Bit Cost Scalable) 3D NAND від Toshiba і SanDisk (WD) відрізняється цікавим рішенням: комірки пам'яті цих чіпів згруповані у U-подібну структуру, а керуючі елементи розташовані у верхній області кристала. На думку виробників, це повинно зменшити їх нагрівання, що викликає помилки запису і читання, і дозволить досягти максимальних швидкості і надійності роботи.

• Чіпи SK Hynix побудовані на базі транзисторів з пасткою заряду, але в дизайні виробник дотримується тієї ж схеми, що і Micron, прибираючи керуючі елементи під комірки NAND.

Втім, у технології 3D-NAND є і свої складності. Багатошаровість (в 2021 році анонсовано випуск 176-шарових чіпів NAND пам'яті, а компанія SK Hynix і зовсім обіцяє досягти в майбутньому 600 шарів) передбачає неймовірно тонку роботу по поєднанню шарів і протруєння наскрізних каналів так, щоб ті проходили строго вертикально, були однакового діаметру на всьому своєму протязі і гранично точно перетиналися з відповідними елементами в кожному шарі. Найменша помилка — і в «кращому» випадку чіпи пам'яті SSD перестають відповідати проектним характеристикам, а в гіршому — збільшиться вихід шлюбу. Один із способів боротьби з цим — склейка: поєднання, наприклад, двох 48-шарових чіпів так, щоб вони працювали як єдина 96-шарова мікросхема. Але цей метод сам по собі вимагає дуже точного збігу кордонів в одержуваному «бутерброді», хоча краще окупається порівняно з нарощуванням великої кількості шарів в рамках одного кристала.

Який тип пам'яті SSD краще?

Отже, який тип чіпів пам'яті SSD вибрати при покупці накопичувача? Який тип флеш пам'яті SSD буде оптимальним для кінцевого користувача? Що краще — MLC або TLC?

Якщо брати якісь загальні тенденції, то MLC буде краще (швидше і довговічніше, хоча і дорожче), ніж TLC, TLC — краще, ніж QLC. 3D краще планарних чіпів, аж до того, що 3D TLC з великою ймовірністю за всіма характеристиками може перевершити 2D MLC. Тенденції розвитку продукції Intel та Micron, побудованої на транзисторах з плаваючим затвором, схоже, виразно вказують на те, що варто віддавати перевагу пам'яті з пасткою заряду (всі інші виробники 3D NAND і Micron, починаючи з 128-шарових чіпів; як визначити тип пам'яті SSD за допомогою програми Flash Tool ми докладно описали в статті «Як визначити контролер SSD-накопичувача»). І, мабуть, неможливо однозначно сказати, чи краще V-NAND від Samsung, BiCS від Toshiba/SanDisk або рідше зустрічаються чіпи від Hynix.

Але насамперед варто враховувати, що вибір SSD на тих чи інших чіпах, чи не в першу чергу залежить як від бюджету, так від сфери використання комп'ютера. Якщо геймерам і професіоналам, що використовують ПК для високопродуктивних завдань, є сенс вкласти в придбання 3D MLC SSD, а для середнього, але досить потужного десктопа оптимальною буде зв'язка з невеликого, але якісного, твердотельника на 3D TLC-чіпах і HDD для файлового сховища, то у недорогих ноутбуків «для офісу та школи» ідеальним рішенням як раз може виявитися досить ємний SSD на QLC-чіпах, якого вистачить для системи, програм і файлів користувача.

Автор: Catman Bast