3d nand

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 жизненном цикле, 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.

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.

При выборе твердотельного накопителя можно столкнуться с разными технологиями используемой памяти в характеристиках SSD, но что лучше – MLC, TLC или QLC?

Давайте выясним какая память установленная в SSD, лучше всего подойдет для домашнего использования. А ниже, поговорим о других разновидностях обозначения скоростной памяти, маркирующихся в характеристиках, по типу: V-NAND и 3D NAND.

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.

NAND флеш-память

Микросхема NAND флеш-памяти – хранилище для информации пользователя (фотографии, фильмы, документы, системные файлы операционной системы и т.п.).

Остановимся на вопросах интерфейса доступа к данным и актуальных для твердотельных накопителей проблемах сохранности информации в NAND флеш-памяти.

Микросхему NAND флеш-памяти можно сравнить с архивом бумажных документов. Наподобие того, как бумаги хранятся в архиве, также электронные документы хранятся в памяти микросхем.

Важнейшими функциями любой системы хранения данных и архива являются:

• Хранение данных — архив должен иметь условия, обеспечивающие сохранность бумаг
• Доступ к информации — библиотекарь должен иметь возможность поработать с нужным документом, иначе архив бесполезен

Условия хранения, обеспечивающие сохранность бумаг (температура, влажность, защита от грызунов), определяют целостность данных, а наличие входной двери, пролетов между полками обеспечивает доступ к бумагам. По аналогии можно сказать, что каждый бит данных во флеш-памяти хранится в виде заряда в плавающем затворе транзистора (ячейка). Для записи бита информации в ячейку программируется определенный уровень заряда.

Однако система хранения данных во флеш-памяти имеет следующие особенности:

1. Заряд с затвора способен «утекать» со временем, что рано или поздно приведет к изменению данных. Например, как чернила на архивных бумагах со временем выцветают или растекаются, превращаясь в неразборчивые пятна. Чем дольше хранятся данные, тем меньше вероятность их потом прочитать.
2. После записи одними и теми же цепями одинакового логического уровня заряда в разные ячейки из-за технологического разброса параметров транзисторов появится вероятность прочитать оттуда разные по величине значения заряда. (Бумага может иметь разные свойства впитывания и растекания чернил. Мелкий текст, написанный фломастером, не на каждой бумаге удастся прочитать.)
3. Цепи записи и чтения заряда также не идеальны и имеют технологический разброс уровней напряжения программирования и порогов чтения логических уровней. (Похоже на то, как на бумажных носителях разные библиотекари по-разному могут разобрать текст, записанный разными авторами, потому что почерк у всех разный.)

Целью технологии разработки микросхем памяти является создание флеш-памяти с максимальным соотношением «качество/цена». Для хранения данных в накопителях

NAND флеш-память является весьма достойным решением по этому соотношению, о чем говорит рост рынка накопителей. Но соотношение «качество/цена» не то же самое, что «качество». От площади кристалла микросхемы прямым образом зависит стоимость микросхемы. Поэтому производители флеш-памяти постоянно стремятся увеличить плотность хранения данных в микросхемах памяти. Увеличение плотности ячеек памяти достигается за счет уменьшения размера самих ячеек, так и за счет объединения цепей записи и чтения зарядов ячеек. Причем, второе, в свою очередь, создаёт некоторые сложности в доступе к хранимым данным.

Понятия интерфейса доступа и правила доступа к NAND флеш-памяти:

• Блок. Весь объем микросхемы разбит на блоки. Объем блока составляет порядка единиц мегабайт. (Например, в архиве, это книга или блокнот в переплете с прошитыми листами)
• Стирание блока. Блок может быть стёрт, при этом каждый бит информации в нем будет установлен в «1». Нельзя стереть только часть блока. (Например, книгу можно выкинуть, но нельзя вырвать из книги лист, не нарушив целостность книги)
• Страница. Блок разделен на страницы размером порядка десятков килобайт. (Например, книги и блокноты тоже имеют страницы)
• Программирование страницы. В NAND флеш-память могут быть записаны (запрограммированы) одновременно данные всей страницы, биты устанавливаются при программировании в значения «0» или «1». (Например, чистые страницы книги или блокнота можно заполнить информацией только единожды)
• Порядок программирования страниц. Страницы в пределах блока должны программироваться строго в порядке возрастания их номеров. (Например, последовательная запись информации в книгу или блокнот)
• Порядок перезаписи. Каждая страница может быть запрограммирована только один раз. Для повторного программирования страницы необходимо стереть полностью блок. (Например, если в уже готовом издании книги необходимо заменить страницу, то придется перепечатать всю книгу и заново сделать переплет)

Перечисленные выше особенности NAND флеш-памяти выглядят довольно безобидно, на первый взгляд, но множество вопросов возникает при первой же попытке перезаписать часть данных (например, один сектор). Задачи записи и чтения непосредственно NAND флеш-памяти решает контроллер.

Что собой представляет NAND-память

Если рассмотреть архитектуру памяти, то единицей хранения информации является транзистор. Традиционно используются транзисторы с плавающим затвором, в котором и хранится один, два или три бита информации. Количество этих битов зависит от типов памяти, о которых можно прочитать в другом материале.

Упрощенная схема NAND-памяти представлена на рисунке. Ячейки (они же транзисторы) соединяются последовательно по 16 или 32 ячеек в группе, образуя страницы, из которых формируется блок. Можно представить себе этакое плоское поле, все утыканное ячейками памяти.

Один из недостатков такой организации памяти – в необходимости оперировать не отдельными битами или байтами, а блоками данных, т. е. произвольный доступ к отдельной ячейке невозможен. Если в случае чтения это не является проблемой, то с записью возникают сложности. Для изменения одного бита приходится считывать блок данных, изменять его и записывать обратно.

Это требует выполнения определенных действий (и времени) по программированию ячеек при записи. Причем перезаписываются даже те ячейки, которые не изменялись. Отсюда и вытекает ограниченность количества циклов перезаписи, о которой часто говорят применительно к твердотельным накопителям. Особенно актуально это стало в связи с массовым распространением трехбитовых (TLC) ячеек. Что ж, ради снижения стоимости чипов памяти приходится чем-то жертвовать.

Подобное соединение ячеек позволяет плотно разместить их на кристалле, чем достигается высокая емкость чипов памяти. Чем больше информации можно разместить на единице площади кристалла, тем ниже себестоимость конечного продукта, в данном случае – SSD-диска.

Как было сказано, бесконечно уменьшать размер ячеек нельзя, как и увеличивать плотность их расположения. 15-нм техпроцесс подошел к тому пределу, когда двигаться дальше уже некуда. Ячейки настолько малы, что при дальнейшем их уменьшении заряд начнет «перетекать» из одной ячейки в другую, что, естественно, недопустимо.

Чит-лист

• NOR: читает быстро, долгий срок службы, медленная запись, дорогой. Довольно редкий.
• NAND: читает медленнее, пишет быстрее, более длительный срок службы, дешевый. У вас, вероятно, есть это.
• 2D NAND: оригинальная NAND, с ячейками, расположенными рядом друг с другом в одном слое. SLC, MLC и TLC все изначально являются 2D.
• 3D NAND: Новая NAND, с ячейками, расположенными вертикально. Быстрее, более продолжительный срок службы, более высокая емкость и, в целом, лучше 2D NAND. MLC и TLC доступны в 3D.
• SLC: память NAND с одним битом на ячейку. Самая быстрая, лучший срок службы, но также менее компактная и дорогая. В основном используется для предприятий.
• MLC: память NAND с (обычно) двумя битами на ячейку. Более низкие скорости и более короткий срок службы, чем SLC, но более высокие емкости и дешевле. Средняя потребительская продукция.
• TLC: память NAND с тремя битами на ячейку. Более медленная скорость, более короткий срок службы, более высокая производительность и дешевле. Бюджетная память, но не обязательно плохая.
• QLC: память NAND с четырьмя битами на ячейку. Более высокие мощности, чем TLC, сопоставимы по большинству других фронтов. Неизданная (по состоянию на июнь 2018 года).

Два основных типа: NAND vs. NOR

NAND используется намного чаще, чем NOR. NOR лучше читает данные (таким образом, он быстрее запускает код), и он более продолжительный (100 000-1000000 циклов записи), но он медленнее записывает и стирает, он не такой компактный, и он дороже. Большинство вещей, которые вы используете, скорее всего, имеют NAND, а не NOR.

3D/Вертикальный NAND против 2D/Однослойный NAND

Разница в том, что это звучит так: 2D NAND — это один уровень ячеек памяти , а 3D NAND — несколько уровней. При прочих равных условиях 3D лучше 2D с точки зрения скорости выдержки и потребления энергии. Прошло несколько лет с момента его выпуска, но 3D NAND заняла много рынка флэш- памяти.

NAND — SLC (одноуровневая ячейка)

SLC — это самый простой тип памяти NAND, содержащий только один бит на ячейку. Тем не менее, он может пройти впечатляющие 90-100 000 циклов записи и значительно быстрее, чем другие. Это звучит здорово, но обычно это не обнаруживается в потребительских устройствах из-за его расходов и меньшей емкости.

NAND — MLC (многоуровневая ячейка)

Как следует из названия, MLC может хранить несколько (два, фактически) бита в одной ячейке, то есть вы можете упаковать больше памяти в одно и то же пространство. Это делает его более дешевым в производстве и покупке, поэтому, хотя он не такой быстрый или надежный (10 000 циклов записи с 2D NAND, до 35 000 с 3D ) в качестве SLC, он намного более популярен.

NAND — TLC (ячейка Triple Level)

Как предполагает название, TLC NAND может хранить три бита на ячейку, что дает ему большую емкость и делает его более дешевым за счет скорости и продолжительности жизни (2D TLC: около 300-1000 циклов записи, 3D TLC: 3000-15 000).

NAND — QLC (четырехъядерная ячейка)

По состоянию на начало 2018 года это фактически она практически не доступна, но Intel и Micron уже объявили, что они разработали её и выпускают. Точные спецификации пока недоступны.Это совершенно новый вид технологии памяти , хотя точно, как это работает, пока еще не указано. Intel сохраняет свои R & D под обложками, но пока кажется, что XPoint может быть не намного лучше, чем NAND. Продукты, выпущенные до сих пор, были довольно разочаровывающими. Тем временем 3D NAND по-прежнему наш лучший выбор.

1.7. Управление плохими блоками

Разработчики NAND микросхем предлагают использовать следующие схемы управления плохими блоками:

• Пропуск плохих блоков
• Использование запасной области

Также к методам управления плохими блоками иногда относят использование коррекции ошибок (ECC). Необходимо отметить, что использование коррекции одиночных ошибок не избавляет от множественных ошибок и все равно вынуждает использовать одну из приведенных выше схем. Кроме этого, большинство NAND микросхем имеют гарантировано бессбойную область, в которой не появляются плохие блоки. Бессбойная область, как правило, располагается в начале микросхемы.

Указанные методы управления плохими блоками хорошо описаны в технической документации производителей NAND и широко обсуждены в литературе по использованию NAND. Однако коротко напомним их суть:

Пропуск плохих блоков:
Если текущий блок оказался сбойным он пропускается и информация пишется в следующий свободный блок. Эта схема универсальна, проста в реализации, однако несколько проблематична для случаев, когда плохие блоки появляются в процессе эксплуатации. Для полноценной работы этой схемы логический номер блока должен хранится внутри блока (стандарт назначения запасной области от Самсунг, собственно это и предполагает). При работе по этой схеме контроллер должен где-то хранить таблицу соответствия логических номеров блоков их физическим номерам иначе доступ к памяти будет сильно замедлен.

Поэтому логическим развитием является схема использования запасной области:
По этому методу весь объем памяти разбивается на две части: основная и резервная. При появлении сбойного блока в основной памяти он заменяется блоком из запасной памяти, а в таблице переназначения блоков делается соответствующая запись. Таблица переназначения хранится или в гарантировано бессбойном блоке или в нескольких экземплярах. Формат таблицы разный, хранится она в разных местах. Опять таки Самсунг описывает стандарт на формат и расположение таблицы, но ему мало кто следует.

Дискуссия и опрос

В следующей серии вас ждет рассказ о лидерах рынка флэш-памяти с примерами их ведущих накопителей. Больше не будет плавающих затворов и диапазонов напряжения 🙂 Я понимаю, что сегодняшний материал очень сложный технически (тем более, это не моя специализация). Но знание принципов работы NAND позволяет понять:

• что движет индустрией
• как продлевают срок службы SSD
• насколько они выносливы
• за что мы платим деньги

Более простая статья уже была, да и остальные вы читали. Я счел, что изрядная часть постоянной аудитории осилит рассказ, и постарался сделать его интересным. Но сомнения гложут 😉

• беспокоит ли вас выносливость вашего текущего или планируемого к покупке SSD
• насколько сложен такой материал для вас, какие моменты он помог прояснить, что стало откровением

Список литературы (будет общий на всю серию)

Результаты голосования утеряны в связи с прекращением работы веб-сервиса опросов.

Внешний вид, оснащение и установка

Накопитель Ultimate SU630 выполнен в стандартном формфакторе 2,5 дюйма с приятным дизайном корпуса выполненным из тонкого и легкого металла с матовой поверхностью, окрашенной в черный цвет. На верхней лицевой стороне наклеена алюминиевая шлифованная пластина с изображением логотипа компании ADATA и индексом носителя.

На обратной стороне — наклейка с данными о носителе. На боковых гранях и в нижней части имеются отверстия для крепления SSD в ПК или ноутбук. Никаких переходников и винтов в комплекте не предусмотрено. Да и сама упаковка выполнена в форме блистера, наподобие тех, в которых поставляются флеш-карты.

Типы памяти в SSD-дисках SLC, MLC, TLC и QLC

Попробуйте, ради интереса, спросить у продавцов-консультантов что скрывается за странными словами SLC, MLC, TLC или QLC в обозначении типов памяти SSD дисков и стоит ли вообще на это обращать внимание при покупке диска? И если стоит, то какой тип лучше? А я вот видел ещё красивые надписи V-NAND и 3D NAND и там вроде тоже что-то говорилось о памяти… Для начала разберёмся с самим термином «NAND»

Так называется вообще вся флешах-память, применяемая не только в твердотельных накопителях, но и флешках. NAND — это сокращение от Not AND (логическое «Не-И»). Если не вдаваться в технические подробности, то можно представить эти элементы как маленькие блоки из которых строится флеш-память и в этом все накопители схожи

Для начала разберёмся с самим термином «NAND». Так называется вообще вся флешах-память, применяемая не только в твердотельных накопителях, но и флешках. NAND — это сокращение от Not AND (логическое «Не-И»). Если не вдаваться в технические подробности, то можно представить эти элементы как маленькие блоки из которых строится флеш-память и в этом все накопители схожи.

А вот технологии хранения информации в памяти могут существенно различаться. Вполне логичным кажется, что каждая ячейка должна хранить один бит информации и это у нас флеш-память типа SLC (Single-level Cell).

Накопители, построенные на памяти SLC являются самыми живучими (число циклов перезаписи каждой ячейки может достигать 100 000 раз и выше), но выходят слишком дорогим удовольствием и для домашнего применения их приобретение не оправдано.

Технологии MLC (eMLC), TLC или QLC хранят более одного бита в каждой ячейке памяти, что не лучшим образом сказывается на показателях живучести. Так, MLC (Multi-level Cell) хранит 2 бита информации в ячейке, у TLC (Three Level Cell) будет уже 3 бита, а накопители с памятью QLC (Quad-Level Cell), располагают 4-мя битами в одной ячейке памяти. Иногда можно встретить обозначение 3-bit MLC или MLC-3, но стоит понимать, что на самом деле, так обозначили память TLC.

Стоит понимать, что каждый дополнительный бит существенно снижает количество циклов чтения-записи ячейки памяти и скорость работы SSD. Так, для MLC этот показатель уже около 10 000 циклов, у TLC — 3 000, а QLC всего порядка 1 000. Есть ещё eMLC (Enterprise Multi Level Cell), где число циклов перезаписи увеличено до 30 000.

Что такое V-NAND, 3D NAND или QLC 3D NAND

Если с типами памяти всё стало более-менее понятнее, то что за обозначения V-NAND, 3D-NAND или QLC 3D NAND, которые встречаются в описаниях SSD накопителей, особенно известных брендов.

Для удешевления производства и улучшения характеристик производительности и срока службы, ячейки флеш-памяти на чипе стали размещать в несколько слоёв. Эти технологии получили названия V-NAND, 3D NAND или QLC 3D NAND. Остальную память, в чипах которой ячейки размещаются в одном слое называют «плоской» (planar).

Интересно, что Samsung предпочитает указывать именно технологию производства V-NAND, а не тип используемой памяти, создав для этих целей собственные линейки EVO и PRO, где применяется TLC и MLC соотвественно. Кроме того, Samsung заявляет что их чипы памяти, произведённые по технологии V-NAND TLC по всем характеристикам уделывают обычные planar MLC.

ONFi и Toggle Mode

Накопители (твердотельные диски) с MLC делятся на два вида в соответствии с используемым интерфейсом. Обе эти аббревиатуры обозначают не просто разные интерфейсы, но и объединения (альянсы) разных производителей флеш-памяти, выпускающейся по определенному стандарту. Например, Intel, Micron, Spectec, Hynix относятся к «ONFI». А Samsung, Toshiba, SanDisk — соответственно к «Toggle Mode».

Оба интерфейса бывают разных версий, версии определяют пропускную способность для каждого канала NAND. Кроме того, ONFI делится на асинхронный и синхронный, последний — обеспечивает быстродействие, но при этом нехило повышает цену девайса. Ну а асинхронный, соответственно — дешевле, но медленней. При прочих равных память Toggle Mode «на бумаге» выглядит несколько быстрее ONFi в операциях «последовательная запись» и «случайное чтение».

Сравнение с HDD

Чтобы провести параллели с обычным жестким диском, сначала нужно немного углубиться в теорию и посмотреть, как работает HDD.

HDD представляет собой набор металлических дисков, вращающихся на шпинделе. Информация записывается на поверхность дисков маленькой механической головкой. Когда вы что-то копируете, создаете новый файл или запускаете программу, головка двигается, выискивая место записи. Для наглядности представьте виниловую пластинку – только вместо иголки будет механическая считывающая головка.

Другие преимущества SSD:

• Быстрый отклик на действия пользователя.
• Беззвучная работа.
• Низкое энергопотребление (вдвое меньше, чем у HDD).
• Отсутствие перегрева.

Это лишь основные достоинства твердотельных накопителей, которые пользователь может «почувствовать». Однако вопрос, что лучше HDD или SSD, продолжают задать многие пользователи, поэтому давайте сравним характеристики этих двух видов накопителей:

1. Скорость работы SSD выше, так как исчезает этап механического поиска нужного места на поверхности диска. Время доступа к данным уменьшается в 100 раз – установленная на SSD система начинает буквально летать по сравнению с использованием HDD.
2. Отсутствие механических подвижных деталей способствует беззвучной работе накопителя и увеличению продолжительности его жизни. HDD чаще всего выходит из строя по причине механического повреждения – у SSD такое проблемы не существует.
3. Температура SSD всегда держится на оптимальном уровне, даже если его не охлаждать кулером. HDD же перегревается без охлаждения, что приводит к неполадкам программного и аппаратного свойства.

Но будем объективны: есть у SSD и недостатки. В первую очередь это цена, которая всё еще остается достаточно высокой и напрямую зависит от объема. Еще одна проблема – ограничение на количество циклов перезаписи. HDD можно переполнять данными и очищать сколько угодно; у SSD же есть ограничение, однако на практике его достичь трудно.

Если вы не можете выбрать между SSD и HDD, то есть гибридный вариант – SSHD. Такие накопители совмещают в себе достоинства обеих технологий, однако увеличение скорости работы вы заметите только при загрузке операционной системы. Запись и чтение данных будут производиться на том же уровне, что и у HDD, поэтому подобные гибриды не пользуются особой популярностью среди пользователей.