Сравнение типов флеш-памяти nand

Введение

Твердотельные накопители значительно улучшают общую производительность персональных компьютеров, позволяя существенно сократить время загрузки операционной системы, и повышают общее быстродействие, превращая, укомплектованные данным типом хранилища, компьютеры в высокоскоростные. Но когда пользователи непосредственно выбирают для своего устройства конкретную модель накопителя «SSD», то часто приходится сталкиваться с различными специализированными терминами, такими как «SLC», «SATA III», «NVMe», «M.2» и т.д. Не многие пользователи знают определение данных терминов и далее в нашем руководстве мы подробнее остановимся на некоторых основных понятиях.

Терабайты для записи (TBW)

Обычно долговечность SSD выражается в TBW (записанных терабайтах). Это количество терабайт, которое можно записать на диск до того, как он выйдет из строя.

Модель Samsung 860 Evo на 500 ГБ (популярный твердотельный накопитель несколько лет назад) имеет рейтинг TBW 600; модель 1 ТБ составляет 1200 ТБВт. Это очень много данных, поэтому такой диск должен служить вам долгие годы.

TBW также являются оценками «безопасного уровня»; SSD обычно превышают эти ограничения. Однако на всякий случай убедитесь, что вы делаете резервную копию, чтобы свести к минимуму потерю данных, особенно на старых дисках.

Сравнения и отличия типов памяти MLC или TLC

1. Сразу отметим важный параметр диска – плотность записи данных. У каждого диска они свои. У MLC ячейка чипа имеет 2 бита, а у TLC – 3.
2. TLC имеет в три раза меньше циклов перезаписи по отношению к MLC.
3. MLC стирает память в два раза быстрее, чем это делает TLC.

• Из этих пунктов можно отметить, что если вам нужен более объемный диск, то стоит присмотреться к TLC.
• Если для вас важнее срок службы и скорость работы, то ваш выбор MLC.

Диски с TLC памятью отлично подходят для хранения информации, если не будут часто перезаписываться. SSD с MLC памятью отлично подойдут для стандартной работы, на него можно установить программы, которыми вы часто пользуетесь. Игры, которые требуют от компьютера большую скорость передачи данных, а также операционную систему, которую в критических ситуациях нужно быстро запустить (скорость загрузки ОС Windows из SSD может составлять до 3 секунд).

Есть и некоторые недостатки MLC – цена на них немного выше по сравнению с TLC. Также стоит сказать о еще одном типе памяти, это тип SLC. Но в виду его дороговизны диск не претендует на роль действительно популярного. Если вы имеете резервные сбережения около 15 тысяч рублей и готовы потратить их на диск, то однозначно вы останетесь довольны его работой. Эти чипы имеют значительно высокую производительность, низкую энергозатратность, а также наибольшую скорость записи и других функций. Этот тип памяти популярен при использовании в высокоуровневых серверах.

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.

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

• Crucial (подразделение Micron)
• Intel
• SanDisk (и отчасти Toshiba)
• Samsung

Опять же, это лишь предположение, не подкрепленное достоверными фактами. Но разве вы поступили бы иначе на месте этих компаний? Между тем, у Micron есть флэш-память с маркетинговым названием XPERT (eXtended Performance and Enhanced Reliability Technology), а у Intel — так называемая High Endurance Technology MLC, которую они не продают сторонним производителям SSD.

Существующие варианты

Сегодня почти любой твердотельный накопитель работает на памяти NAND. В зависимости от особенностей, разделяются они на три вида:

• SLC – одноуровневая. Каждая ячейка запоминает один бит в зависимости от состояния – она может быть включена или выключена. Имеет наименьшее энергопотребление, наибольшую скорость перезаписи и количество ее циклов. Однако стоит дорого, поэтому используется преимущественно в крутых серверных решениях.
• MLC – многоуровневая. Ячейка запоминает два бита. Стоит дешевле, так как и характеристики «попроще». Используется преимущественно на рабочих станциях и серверах среднего класса.
• TLC – трехуровневая. Ячейка запоминает три бита. Имеет наибольшую плотность, менее вынослива и работает относительно медленнее. Самый доступный тип, поэтому широко применяется в твердотельных дисках, рассчитанных на массовое потребление.

Эти типы относятся к планарному типу, то есть они «плоские». Их общий недостаток в том, что для увеличения плотности приходится уменьшать техпроцесс, а бесконечно это сделать невозможно по физическим причинам.

Резюме

Давайте подведем промежуточный итог на основе информации из этой статьи:

• для сокращения расходов размер кристалла уменьшают по осям X и Y, а также увеличивают его плотность
• программирование ячеек памяти достигается подачей напряжения, что постепенно изнашивает их
• с уменьшением размера кристалла становится тоньше оксид, что негативно сказывается на сроке службы ячеек
• истончение оксида вынуждает контроллер подавать более высокое напряжение, чтобы запрограммировать ячейку
• типы памяти различаются по количеству битов в ячейке, и чем их больше, тем хуже выносливость и скорость
• TLC наименее вынослива, потому что 8 состояний напряжения сокращают пространство для его повышения по мере износа ячеек
• для повышения быстродействия и выносливости в дисках на TLC (и даже на MLC 1xnm) используется псевдо-кэш SLC

Так выглядит сводная таблица ключевых характеристик для типов флэш-памяти, рассмотренных в этой статье.

Из нее хорошо видно, что основным мотивом движения индустрии флэш-памяти в сторону TLC является сокращение затрат на производство (без учета необходимых для этого инвестиций).

Согласно прогнозу Samsung, через три года 80% рынка будет составлять TLC NAND

Обратите внимание, что на диаграмме TLC обозначена как 3-bit MLC. Формально, так и есть, но все-таки просматривается маркетинговая хитрость

Я вернусь к этому моменту в следующей статье.

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.

Дешево, быстро, надежно: сложный выбор

Чем больше бит хранит транзистор, тем память SSD будет дешевле в расчете на гигабайт, но тем ниже окажутся ее скорость и долговечность. Из-за этого накопители с разным типом чипов отличаются ценой, быстродействием и надежностью. SLC – самые быстрые и живучие, но дорогие. Из-за этого такие диски выпускаются, преимущественно, для корпоративного сегмента.

SSD с памятью MLC потихоньку уходит в прошлое. Все из-за того, что с переходом на 3D NAND чипы (содержащие транзисторы в несколько слоев), по мере устранения недостатков, ресурс TLC мало уступает MLC, но зато трехуровневая память обходится дешевле. Смысла платить больше почти нет, поэтому в потребительском сегменте новые модели на MLC выпускают только в верхнем сегменте.

Памятью MLC оснащаются, в основном, высокоскоростные модели вроде Samsung 970 PRO. Такие накопители можно смело использовать и в игровом, и рабочем, и развлекательном ПК или ноутбуке. Правда, чтобы иметь побольше места, придется заметно переплатить.

SSD на TLC 3D NAND занимают основную часть рынка. Большинство актуальных моделей содержат именно такие чипы. Хорошим примером твердотельного накопителя с такой памятью является Samsung 860 EVO, который и быстр, и достаточно надежен, но доступнее чем Pro.

Подводя итоги, можно сказать, что SLC-память для SSD лучше во всем. Но она намного дороже, поэтому выпускается лишь для оборудования промышленного и серверного применения. MLC и TLC – оптимальный вариант по соотношению цены, скорости и надежности. Именно ее стоит брать для универсального компьютера, используемого и для работы, и игр.

Относительно QLC стоит быть осторожным. Да, это доступный вид памяти, который предлагает много гигабайт за немного денег. Но покупать такой диск под установку системы, а тем более, хранение ценных данных нежелательно ввиду малого числа отзывов и статистики.

Компромиссным вариантом является покупка нескольких накопителей разного типа. Взяв под систему и ценные файлы скоростную модель с NVME на 120-256 ГБ, можно быть спокойным и за сохранность файлов, и за быстродействие компьютера. А под хранение файлов, не подразумевающее частых перезаписей, для экономии можно взять тот же Samsung 860 QVO на 500 ГБ, 1 ТБ или больше.

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.

Почему SLC, MLC и TLC отличаются по выносливости

Эти аббревиатуры просто указывают на количество битов в транзисторе. В одной ячейке SLC хранится 1 бит, MLC – 2 бита, а TLC – 3 бита, но базовый принцип работы у всех трех типов памяти одинаковый.

Представьте себе кристалл плотностью 16Gbit (гигабит) NAND, т.е. состоящий из примерно 16 млрд транзисторов. Из него получится 16Gbit SLC, поскольку в ячейке 1 бит. Но можно сделать 2 бита на ячейку и получить уже 32Gbit MLC. А если сделать в ячейке по 3 бита, выйдет аж 48Gbit TLC NAND!

Micron TLC NAND

48 — неудобное число. Заметьте, что 16 и 32 представляют собой 24 и 25, но у двойки нет такой степени, чтобы получить число, кратное 3 . Поэтому TLC приходится подгонять под другие размеры из инженерных и маркетинговых соображений. Кристалл режут под 10.67Gbit, что при трех битах эквивалентно 32Gbit MLC NAND. Невелика беда, ведь по сравнению с MLC сэкономили 30% массива NAND!

Вы уже знаете, что программирование ячейки достигается изменением подаваемого на нее электрического напряжения. Я свел в таблицу типы памяти и допустимые состояния напряжений.

SLC, с ее двумя состояниями, может выдерживать самые большие изменения в напряжении, прежде чем время стирания увеличится настолько, что контроллер отправит блок памяти в утиль по причине износа.

И это ключевой фактор, потому что всего несколько электронов могут определять разницу между запрограммированной и пустой ячейкой. Как следствие, этот тип памяти выдерживает самые маленькие изменения в напряжении.

Состояния напряжения разных типов NAND

Отсюда и вытекает разница между выносливостью SLC, MLC и TLC. Наибольшее количество (P/E) у SLC, затем идет MLC, а хуже всего дела обстоят у TLC. Кроме того, чем больше состояний напряжения приходится определять, тем выше вероятность ошибок, поэтому роль современных контроллеров в их коррекции (ECC) возрастает, хотя с этой задачей они успешно справляются.

Популярные модели 60-64 Гбайт

Теперь, когда мы в целом представляем, что такое SSD, пора ознакомиться с перечнем популярных моделей. Стоит помнить, что модель одной линейки (с одинаковым процессором и памятью) будет популярна в сегменте, например, 60-64 Гбайт, но может оказаться совсем неинтересной в исполнении 240 Гбайт, ведь все зависит от конкурентов и цены.

Прежде всего, запомните одну аксиому: чем меньше памяти распаяно на устройстве, тем медленнее будет работать накопитель. Второй момент — многие SSD теряют скорость при большом заполнении памяти. Логично, что 60 Гбайт «мозгов» будет занято наполовину сразу же после установки ОС и пары «тучных» приложений. Наконец, большая занятость памяти влияет на износ. Чем меньшая доля микросхем занята, тем больше у контроллера поле для маневра и, соответственно, меньше расход ячеек. То есть при одинаковом использовании двух SSD емкостью 60 Гбайт и 240 Гбайт второй продержится намного дольше, тем более, если на нем будет занят тот же объем, что и на первом.

Другие понятия «SSD»

Ранее мы рассмотрели основные типы флэш-памяти «NAND», но пользователям встречаются и другие определения, и далее мы дополнительно опишем несколько терминов, которые могут вам помочь полнее понять характеристики «SSD»:

• «3D NAND»: в какой-то момент производители «NAND» попытались расположить ячейки памяти ближе друг к другу на плоской поверхности, чтобы уменьшить размер дисков и увеличить емкость. Такой подход работал до определенного момента, но флэш-память начинает терять свою надежность, когда ячейки расположены слишком близко друг к другу. Чтобы обойти данное ограничение, разработчики поместили ячейки памяти друг на друга, чтобы увеличить емкость. Такая архитектура обычно называется «3D NAND», а иногда и вертикальным «NAND».
• «Технология выравнивания износа»: ячейки памяти «SSD» начинают разрушаться сразу в момент их первичного использования и процесс продолжается безостановочно при каждой записи. Чтобы избежать неравномерного снижения ресурса отдельных ячеек и помочь накопителям гарантированно прослужить заявленный срок, производители применяют технологию износа, которая пытается записывать данные в ячейки памяти как можно более равномерно. Вместо того, чтобы постоянно записывать определенный блок в один раздел диска, данная технология распределяет данные равномерно, поэтому все ячейки имеют одинаковый или соизмеримый показатель износа.
• «Кэш»: каждый твердотельный накопитель «SSD» укомплектован кэшем, в котором данные кратковременно хранятся перед их непосредственной записью на диск. Данная специальная выделенная область быстрого доступа для временного хранения информации имеет решающее значение для повышения производительности «SSD». Кэш-память обычно состоит из ячеек «SLC» или «MLC NAND». Когда кэш заполнен, производительность имеет тенденцию к значительному снижению — это особенно верно для некоторых накопителей «TLC» и большинства дисков «QLC».
• «SATA III»: это наиболее распространенный интерфейс подключения жесткого диска «HDD» и твердотельного накопителя «SSD» в персональном компьютере. В этом контексте понятие «интерфейс» просто означает, каким образом происходит прямое соединение диска с материнской платой. «SATA III» имеет максимальную пропускную способность шестьсот мегабайт в секунду.
• «NVMe»: данный интерфейс соединяет запоминающее устройство «SSD» с материнской платой. «NVMe» позволяет развивать молниеносную скорость передачи данных. Показатели скорости современных потребительских накопителей с интерфейсом «NVMe» примерно в три раза выше, чем у «SATA III».
• «M.2»: это форм-фактор (физический размер, форма и дизайн) накопителей «NVMe». Их часто называют дисками «gumstick», потому что они крошечные и прямоугольные. Накопители монтируются в специальные слоты на большинстве современных материнских плат.

Страница 4: Технологии памяти: SLC, MLC, TLC и 3D-NAND

К вопросу технологий памяти многие энтузиасты относятся предвзято, здесь слишком много домыслов и точек зрения. Как же быть обычному пользователю? Попробуем разобраться. Начнем с сокращений SLC, MLC и TLC. Они просто обозначают, сколько бит информации хранится в каждой ячейке. В одноуровневых ячейках SLC (Single Level Cell) хранится один бит. В ячейках MLC (Multi Level Cell) – два бита, в ячейках TLC (Triple Level Cell) – три бита. Конечно, по своему определению технология MLC описывает все варианты, когда в ячейке хранятся два бита или большее количество. Так что можно говорить о 2-битной MLC или 3-битной MLC, в последнем случае мы получаем эквивалент TLC.

Зачем хранить в ячейках больше одного бита? Причина кроется в плотности записи, поскольку при том же количестве ячеек память MLC позволяет хранить в два раза больше информации, чем SLC. А в случае накопителя TLC – на 50% больше информации, чем MLC. В отличие от жестких дисков, цена SSD очень сильно зависит от доступной емкости. Многие жесткие диски для разных вариантов емкости опираются на одинаковое число пластин, просто у «младших» моделей используется не вся их площадь – это связано с низкой себестоимостью производства магнитных пластин. Но производство полупроводниковых чипов флэш-памяти обходится значительно дороже, поэтому при удвоении емкости себестоимость почти что удваивается.

Сравнение разной структуры 2D и 3D памяти (источник Samsung)

В чем же недостатки? Дело в том, что в ячейке хранятся не биты, а электроны. Чем больше электронов, тем выше напряжение. Таким образом, через напряжение можно кодировать несколько состояний ячейки. В случае SLC таких состояний 21, то есть два. Распознавать два состояния очень легко – электроны в ячейке либо отсутствуют, либо они есть в максимальном количестве. У ячеек TLC состояний уже 23, то есть восемь. Кроме «минимального напряжения» и «максимального напряжения» необходимо распознавать еще шесть состояний, при этом сохраняя необходимую надежность сохранения информации. Так что TLC является весьма серьезной технической проблемой, программирование таких ячеек выполняется дольше, поэтому и производительность ухудшается. Срок службы ячеек памяти ограничен, со временем они теряют возможность надежно сохранять запрограммированное состояние. И в случае восьми состояний подобная потеря надежности наступает раньше, чем в случае всего двух или четырех состояний. Поэтому и срок службы памяти TLC меньше.

С другой стороны, производители постоянно дорабатывают свои контроллеры, улучшая обработку сигналов и коррекцию ошибок, что компенсирует меньший срок службы ячеек TLC. Приведем простой пример: накопитель Samsung SSD 840 EVO оснащен 19-нм памятью TLC, 250-Гбайт версия под экстремальной нагрузкой способна продержаться более десяти лет (по спецификациям JEDEC запись составляет 40 Гбайт/день).

С уменьшением размера ячеек тоже не все так просто – есть физические ограничения. В них уперлась Samsung с накопителями 840 EVO, где используется память с 1x-нм ячейками. Поэтому с новыми SSD 850 PRO Samsung уже перешла на 3D-память.

Концепцию здесь понять легко: ячейки памяти 2D, как можно догадаться по названию, планарные. Если вы хотите увеличить число ячеек, то без увеличения площади кристалла не обойтись. Но здесь имеются свои ограничения, поэтому технология 2D уперлась в предел роста. Спасением стала технология 3D, в которой ячейка памяти представляет собой цилиндр, как показано на следующем рисунке:

Цилиндры можно располагать друг над другом, в результате память «вырастает» в высоту, а площадь основания не меняется. Таким образом можно существенно увеличить плотность хранения памяти. Samsung SSD 850 EVO использует 3D-память с 32 слоями и 3-битными ячейками TLC. Информацию о размере ячеек 3D-памяти Samsung не дает, но обещает, что срок службы 3D-памяти TLC не хуже 2D-памяти MLC. 3D-память обладает большей надежностью, а также дает и другие преимущества, в том числе высокую производительность и низкое энергопотребление. Но технически создание такой памяти – задача непростая, по этой причине многие SSD по-прежнему работают с классической 2D-памятью. Но Samsung сегодня перевела все потребительские SSD на собственную 3D-память.

<> В чем разница между AHCI и NVMe?Тесты разных технологий SSD
 

SLC (Single Level Cell)

The Single Level Cell flash is so called for it’s single bit that can either be on or off when charged. This type of flash has the advantage of being the most accurate when reading and writing data, and also has the benefit of lasting the longest data read and write cycles. Program read/write life cycle is expected to be between 90,000 and 100,000. This type of flash has done exceptionally well in the enterprise market because of it’s life span, accuracy and overall performance. You won’t see too many home computers with this type of NAND due to its high cost and low storage capacities.

Pros:

• Has the longest lifespan and charge cycles over any other type of flash.
• More reliable smaller room for read/write error.
• Can operate in a broader temperature range.

Cons:

• The most expensive type of NAND flash on the market.
• Often only available in smaller capacities.

Recommended for:

Industrial use and workloads that require heavy read/write cycles such as servers.