Актуальные идеи для малого бизнеса с нуля
Идеи для бизнеса
» » Новейшие технологии в SSD c 3D NAND-памятью

Новейшие технологии в SSD c 3D NAND-памятью




Дальнейшее развитие технологии трехмерной флеш-памяти может привести к многократному увеличению емкости твердотельных накопителей. Правило «или высокоскоростной SSD, или HDD большой емкости» перестает действовать

SSD и NAND памятью доминируют над продажами классических HDD. Постепенно HDD будут вытеснены облачными сервисами и быстрыми SSD. Способствует этому постоянная гонка вооружений в сфере технологий 3D NAND. За пять лет SAMSUNG, Hynix, Micron, Toshiba и Intel добились впечатляющих результатов.

Первым шагом на пути к увеличению емкости твердотельных накопителей стала массовая реализация 3D NAND, начавшаяся несколько лет назад. Она подразумевает расположение ячеек не планарно, как это было принято долгое время, а еще и вертикально, послойно, чтобы чип получил трехмерную структуру. Представленная на конференции оптимизация 3D NAND может создать условия для того, чтобы сформированные из кремниевой пластины кристаллы, которые являются основой для изготовления микросхем флеш-памяти, постепенно вытесняли жесткие магнитные диски, в которых информация записывается на вращающиеся алюминиевые пластины.

Затишье в развитии HDD

На конференции, состоявшейся в начале августа, были представлены твердотельные накопители емкостью от 30 до 50 Тбайт, а Samsung даже анонсировала 128-терабайтный. А максимальная емкость жестких дисков составила всего 12 Тбайт. В настоящее время накопители до 14 Тбайт выпускаются в форм-факторе 3,5 дюйма. Техническое развитие накопителей на жестких магнитных дисках переживает застой. Новые технологии, анонсированные несколько лет назад, например, термоассистируемая магнитная запись (Heat-assisted magnetic recording), обещающая удвоить плотность записи, все еще не готовы выйти на рынок.

Принцип технологии HAMR состоит в локальном нагревании лазером дорожки на металлической пластине, благодаря чему создается возможность перемагничивать более короткие ­отрезки, чем это было возможно раньше. Но, как уже было сказано, это пока еще обещания. А динамическая отрасль производства флеш-памяти переживает период высокой скорости развития.

Один из результатов такой динамичности Samsung представила на конференции: твердотельный накопитель формата Next Generation Small Form Factor (NGSFF) емкостью 16 Тбайт в виде небольшой пластины длиной в десять сантимет­ров. Правда, рядовым пользователям о такой памяти придется только мечтать, поскольку она стоит небольшое состояние и рассчитана для использования в дата-центрах. По цене же на один гигабайт преимущество по-прежнему за жесткими дисками.

Сдвиги в сфере производства памяти

Тем не менее выступление на конференции специалистов в сфере технологий памяти вызвало вопрос: не истекает ли время магнитных дисков? В этом духе, например, выразился Керри Манс, отвечающий за разработку твердотельных накопителей в Micron.

«Благодаря нашей новой памяти накопители на дисках перестанут быть нужны»

Вице-президент Micron Technology, руководитель отдела разработок, Керри Манс

Показательно также, что два крупных производителя накопителей на жестких магнитных дисках — Western Digital и Seagate — уже несколько лет пытаются укрепиться на рынке твердотельных носителей.

Динамика продаж классических жестких дисков и SSD

Недавно некий инвестиционный консорциум при участии Seagate и Hynix выкупил у Toshiba подразделение по производству чипов флеш-памяти, причем в ущерб Western Digital. Последняя до этого сотрудничала с Toshiba в разработке новой технологии флеш-памяти.

На конференции компания Seagate представила статистические данные, согласно которым в будущем доля вложений дата-центров в жесткие диски составит всего пять процентов. По прогнозам аналитиков Garnter, для насыщенного рынка ПК ежегодный темп роста в течение следующих пяти лет для твердотельных накопителей составит двадцать процентов. В таком же соотношении жесткие диски будут сдавать свои позиции на рынке. Этот процесс ускорится, если сбудется еще один прогноз, согласно которому в течение следующих пяти-шести лет твердотельные накопители подешевеют на 75% в расчете на один гигабайт.

Флеш-память в третьем измерении

В следующем году станет ясно, какие последствия будет иметь переход на трехмерную структуру флеш-памяти. В настоящее время падения цен на флеш-память по-прежнему не наблюдается. Это, с одной стороны, объясняется высоким спросом, а с другой — тем, что производители вынуждены финансировать все еще продолжающийся переход на производство 3D NAND. 2D NAND в настоящее время по-прежнему реализуется, но с технической точки зрения она достигла своих пределов.

Преодолеть технические лимиты флеш-памяти

В принципе, ячейки двухмерной флеш-памяти состоят из самых обычных транзисторов, из которых, например, собираются процессоры для ПК. Кроме того, у ячейки памяти есть плавающий затвор (floating gate), который обладает способностью удерживать электроны в течение длительного времени. Величина заряда на плавающем затворе определяет, какой бит хранит ячейка памяти. Простой пример: нет заряда — значение «1», полный заряд — значение «0». Но сохранение заряда может быть значительно более сложным процессом, поскольку существует более сложные типы ячеек, которые способны сохранять до четырех бит. Чтобы увеличить плотность записи, двухмерные ячейки флеш-памяти в 16 нм нужно еще больше уменьшить, а это процесс трудоемкий, тем более что вместе с этим значительно вырастут затраты на производство.

545s производства Intel — первый твердотельный накопитель, в котором реа­лизуется технология 3D NAND с 64 слоями ячеек: до сих пор было возможно только 48 слоев

Решение послойно располагать ячейки флеш-памяти положило конец дорогостоящим разработкам. Сейчас главным становится вопрос увеличения количества слоев в стеке. Чипы первого поколения 3D NAND, выпущенные Samsung в 2012 году, насчитывали 24 слоя ячеек. Первые твердотельные накопители, реализовавшие 3D NAND, получили 32 слоя, на современных же твердотельных накопителях их 48. В июле Intel представила первый SSD серии 545s, выполненный по технологии 3D NAND с 64 слоями ячеек. Лидер рынка Samsung не собирается отставать и во втором полугодии представит свой вариант 64-слойной трехмерной памяти.

6 Гбит на один квадратный миллиметрТип флеш-памятиПлотность записиПример накопителяВыход на рынокДвухмерная структура
(16 нм TLC)1,11 Гбит/мм2Samsung 750 Evoапрель 2016 г.Трехмерная структура
32 слоя1,86 Гбит/мм2Samsung 850 Evoдекабрь 2014 г.Трехмерная структура
48 слоев2,56 Гбит/мм2Samsung 850 Proмарт 2016 г.Трехмерная структура
64 слоя3,97 Гбит/мм2Samsung 9xx Proянварь 2018 г.

Метод послойного расположения ячеек не стоит на месте. В следующем году 96 слоев станут нормой — Samsung и Toshiba, оба крупнейших производителя флеш-памяти, уже объявили о переходе на новую технологию. Плотность хранения данных значительно превысит 6 Гбит на один квадратный миллиметр. Тем не менее специалисты в области производства флеш-памяти предполагают, что дальнейшее развитие технологии размещения ячеек памяти в стеки в кремниевом кристалле будет идти трудно.

«Техническая сложность состоит в том, чтобы равномерно формировать отверстия на всю...


альфа банк кредитная карта 100 дней без процентов

...глубину слоев. Только таким образом можно обеспечить одинаковую производительность для всех ячеек памяти»

Руководитель отдела разработки Toshiba, Джефф Ошим.

А вот специалист Lam Research считает, что реально разместить более ста слоев в стек. Lam Research разрабатывает аппараты, с помощью которых протравливаются равномерные отверстия в кремниевой подложке.

Но производители флеш-памяти не только располагают отдельные ячейки слоями один над другим, чтобы сформировать блок 3D NAND. Они еще и упаковывают в стек эти блоки. То есть плотность записи увеличивается еще в несколько раз. Для соединения отдельных слоев блоков и слоев кристаллов производители вот уже несколько лет используют метод проводной обвязки wire-bonding. В настоящее время таким способом соединяют 8 или 16 кристаллов.

4 Тбайт на одной микросхеме памятиНа снимке (1) представлена внутренняя структура 3D NAND: множество слоев ячеек, расположенных одна над другой. Плотность хранения данных увеличивается, если расположить кристаллы 3D NAND один над другим и соединить их проводами, например, по методу wire bonding (2) . Более эффективен метод TSV, поскольку электроды проходят через слои 3D NAND (3)

На конференции Samsung анонсировала твердотельный накопитель емкостью 128 Тбайт, в котором в один стек будет паковаться до 32 кристаллов — и это будет новый рекорд. На площади размером с ноготь пальца можно будет сохранить до 4 Тбайт данных. Для соединения кристаллов будет использоваться метод wire-bonding: тонкая проводная обвязка будет соединять торцы кристаллов с платой. Но и у этого метода есть свои пределы: он требует много энергии и площади. Кроме того, он подвержен ошибкам в том, что касается целостности сигнала, и чем больше слоев в стеке, тем больше этих нежелательных явлений.

Toshiba же выбрала другой способ соединения и в начале июля впервые представила чипы, в которых используются межслойные соединения Through Silicon Via. Все слои кристаллов для связи используют вертикальные электроды, что позволяет снизить потребляемую мощность вдвое и в то же время повысить скорость передачи данных. В представленных Toshiba микросхемах насчитывается 8 и 16 вертикально расположенных кристаллов NAND, соединенных с помощью TSV, в будущем компания намерена увеличить количество слоев до 32.

Революция ячеек флеш-памятиКоличество электронов, то есть уровень заряда, определяет, какие биты сохраняются в ячейке флеш-памяти. Но чем больше бит должно быть представлено, тем больше технология подвержена ошибкам, поэтому накопителей с QLC почти нет

Чтобы продолжать повышать плотность хранения данных на твердотельных накопителях, производители возвращаются к старому проверенному методу. Теперь ячейки флеш-памяти могут хранить четыре бита — до сих пор фактически было возможно использовать не более трех битов. Такое повышение тесно связано с переходом с 2D на 3D NAND: ячейки 3D могут хранить больше битов и переживают больше циклов перезаписи.

Несколько битов в одной ячейкеС переходом на 3D NAND появилась возможность создавать новый, более надежный тип ячеек с большим количеством циклов перезаписи. Это позволяет выпускать новые твердотельные накопители. Toshiba уже выпускает чипы флеш-памяти 3D NAND на QLC. Появление первых накопителей на рынке ожидается в следующем году

Для того чтобы сохранить некоторое количество определенных битов информации в ячейке, используются отдельные значения напряжения, соответствующие отдельным уровням заряда. Уровень заряда зависит от количества электронов, попадающих в плавающий затвор. Тут возникает проблема: чем чаще записывается ячейка флеш-памяти, тем ненадежнее работает плавающий затвор, поскольку непроводящий слой вокруг затвора истончается и перестает полноценно выполнять свою задачу.

Если ячейка флеш-памяти представляет только один бит, то проблема небольшая, поскольку такая ячейка содержит только два уровня заряда для логических значений «0» и «1». Такая ячейка, называемая одноуровневой (Single-level cell), выдерживает примерно 100 000 циклов перезаписи. Для достижения более высокой плотности хранения данных производители преимущественно используют технологию Triple-level cell («трехуровневая ячейка»): ячейки должны позволять коррект­но хранить восемь уровней заряда для хранения трех битов. TLC с двухмерной флеш-памятью выдерживает около 1000 цик­лов перезаписи. Столь низкое значение тоже связано с тем, что производители для повышения плотности записи все уменьшали структуры двухмерной флеш-памяти. Из-за такого процесса уменьшения до нынешнего размера в 16 нм уменьшилось и максимальное количество электронов, которые может принимать плавающий затвор. В результате уровни заряда теснее сдвигаются друг к другу, что приводит к повышению вероятности появления ошибок.

Четырехуровневые ячейки в трех измерениях

И тут на сцене появляется трехмерная флеш-память. Трехмерная ячейка больше двухмерной — 50–70 нм в поперечнике. А значит, она может вмещать больше электронов, благодаря чему более надежна. Samsung заявляет, что ее новая 64-слойная память 3D NAND способна выдержать не менее 7000 циклов перезаписи. Toshiba пошла еще дальше и первой из производителей флеш-памяти представила чипы 3D NAND с 16 уровнями заряда на ячейку — Quad-level cells, которые хранят четыре бита. По расчетам Toshiba, эти ячейки должны выдержать в целом тысячу циклов перезаписи, чего для многолетней работы накопителя на ПК более чем достаточно.

Toshiba и ее флеш-память 3D NAND с 16 уровнями заряда на ячейку — Quad-level cells, которые хранят четыре бита.

Также Samsung и Micron в 2018 году планируют вывести на рынок накопители на QLC 3D NAND с 96 слоями ячеек. Это значит, что представленные в статье новинки, возможно, и разрабатываются для рынка серверов, однако это не помешает им быстро найти себе место и в производстве твердотельных накопителей для потребительского рынка. Исключение, пожалуй, составят TSV-чипы, поскольку их производство относительно дорого и они предназначены для больших высокоскоростных накопителей, используемых в дата-центрах.

Тем не менее появление представленных здесь инновационных технологий вовсе не означает, что скоро накопители на магнитных дисках перестанут выпускаться, поскольку в обозримом будущем суммарных объемов производства твердотельных накопителей попросту не хватит для того, чтобы утолить постоянно растущую жадность к данным в эпоху цифровых технологий — и в особенности поставщиков облачных сервисов. Но если пользователю ноутбука или домашнего ПК нужна память от 4 до 8 Тбайт, он может уже мысленно ­попрощаться с накопителем на жестких магнитных дисках. И тогда — здравствуй, SSD!


Контакты:
Адрес: Товарная, 57-В, 121135, Москва,
Телефон:+7 971-129-61-42, Электронная почта: contact@lossless.ru идеи для бизнеса с нуля
Новейшие технологии в SSD c 3D NAND-памятью

Опубликовано 17.12.2017, автором , в разделе Новости

деньги в кредит онлайн

возможно вас заинтересуют другие предложения:
7 причин почему пора переходить на SSD...
Toshiba выпустила умные очки на Windows 10 Pro (13 фото + 2 видео)...
Intel 2017: Итоги года...
Самые необычные процессоры за всю историю компьютеров...
Почему нельзя кричать на свой HDD...
Как выбрать хороший дешёвый смартфон в 2017-2018 годах...
Как остаться верным Windows 7: создаем идеальный установочный образ системы...
вверх