Sugerujemy zapoznanie się z wadami i zaletami pamięci NAND, a także dobranie optymalnego dysku SSD na naszej stronie, korzystając z odpowiednich filtrów.

Co to jest pamięć NAND?

NAND to rodzaj nieulotnej pamięci flash, która znajduje szerokie zastosowanie w rozmaitych urządzeniach do przechowywania danych (SSD, pendrive'y, karty pamięci. Początkowo pamięć ta mieściła jeden bit informacji, jednak chęć zwiększenia pojemności przy zachowaniu rozmiarów urządzenia doprowadziła do rozwoju technologii w tym obszarze. W ciągu ostatnich 10 lat pojawiło się kilka generacji wielobitowych pamięci, które pozwoliły uszczelnić dane i uczynić dyski przystępnymi dla wszystkich. Producenci pracują również nad zmniejszeniem rozmiarów tranzystora. Początkowo każda komórka zajmowała około 90 nm, a obecna liczba nie przekracza 20 nm. Głównym problemem pamięci NAND pozostaje jej ograniczona trwałość, liczona na podstawie liczby cykli zapisu komórek. Trwałość uzależniona jest od intensywności użytkowania, jednak nawet budżetowe dyski mogą pracować latami bez awarii.

Dyski SSD z pamięcią 3D NAND

Różnice i obszary zastosowania TLC, QLC, MLC, SLC

Nie wchodząc w skomplikowane szczegóły techniczne, typy pamięci różnią się specyfikacją — pojemnością, szybkością, trwałością oraz ceną.

Wiele osób myli się, uważając generację QLC za najbardziej zaawansowaną. Każda generacja ma swoje zalety i wady, dzięki którym NAND nadaje się do określonych zadań. Dla wygody porównajmy podstawowe parametry poszczególnych rodzajów pamięci:

Tabela porównawcza parametrów pamięci NAND
SLC (1. generacja, 1 bit na komórkę) MLC (2. generacja, 2 bity na komórkę) TLS (3. generacja, 3 bity na komórkę) QLS (4. generacja, 4 bity na komórkę) PLS (znajduje się w opracowaniu, 5 bitów na komórkę)
Pojemność niska średnia duża duża bardzo duża
Wydajność bardzo wysoka wysoka średnia niska niska
Trwałość bardzo wysoka średnia średnia niska niska
Cena bardzo wysoka średnia średnia niska niska

SLC (Single Level Cell, single-level) — pamięć przechowująca tylko 1 bit danych. Zatem jeśli rozmieścić 10 odpowiednich tranzystorów na określonej powierzchni, można przechowywać tylko 10 bitów informacji. SLC to bardzo droga i najbardziej wydajna pamięć stosowana w wojsku, nauce i przemyśle, gdzie wymagana jest wysoka wydajność i odporność na awarie. Pozwala na nadpisanie każdej komórki 100 000 razy i gwarantuje szybki dostęp do każdej z nich, niezależnie od obciążenia.

MLC(Multi Level Cell, multi-level) umożliwiła podwojenie pojemności pamięci i przechowywanie 2 bitów danych w każdym tranzystorze. Pomimo bardziej złożonej konstrukcji urządzenia stały się tańsze, ale nieznacznie spadła także prędkość dostępu do informacji i czas między awariami MTBF (10 000 cykli). Nazwa nadal budzi dyskusję, gdyż bardziej logiczne byłoby użycie skrótu DLC (Dual Level Cell). Pamięć ta zyskała popularność w serwerach oraz wśród entuzjastów ze względu na dobrą równowagę pomiędzy wydajnością / niezawodnością / ceną.

TLC(Triple Level Cell) to najpopularniejsza pamięć NAND w 2024 roku i prawdopodobnie pozostanie nią przez kilka następnych lat. Mieści 3 bity danych w jednym tranzystorze. Zapewnia optymalną równowagę ceny do jakości. Warto zaznaczyć, że istnieje nieformalny podział dysków TLC na konsumenckie i korporacyjne. Te ostatnie są wyższej jakości i wyposażone w zaawansowane technologie optymalizacyjne. W przypadku gamingowych PC i serwerów ważniejsza jest trwałość i wydajność, dlatego tutaj wygrywają korporacyjne TLC. Prędkość odczytu danych (przy podłączeniu poprzez PCIe) może przekraczać 7000 MB/s, a prędkość zapisu — 6000 MB/s. Niezawodność urządzeń z taką pamięcią nie jest najwyższa, ale zazwyczaj producenci udzielają gwarancji 3–5 lat, a faktyczna trwałość jest znacznie większa, nawet przy codziennym nadpisywaniu 50–100 GB danych. Konsumenckie TLC są skromniejsze i tańsze. Charakteryzują się prędkościami zapisu i odczytu rzędu 2000 MB/s, co w zupełności wystarczy do większości zadań na wiele lat. Jednak wysoka prędkość jest utrzymywana tylko przy przetwarzaniu małych ilości danych, a następnie następuje znaczny spadek. Warto zaznaczyć, że trwałość w dużej mierze zależy od całkowitej pojemności dysku (im więcej, tym lepiej) i intensywności użytkowania (im mniej, tym lepiej). Maksymalna trwałość wynosi 3000 cykli nadpisywania.

QLC(Quad Level Cell, pamięć czteropoziomowa) – pamięć zdolna do przechowywania 4 bitów danych w każdej komórce. Z jednej strony pozwoliło to zwiększyć pojemność dysków o 50% (w porównaniu do TLC), ale negatywnym czynnikiem był regres w zakresie wydajności i trwałości (1000 cykli). Z tego powodu QLC NAND jest skutecznym i niedrogim zamiennikiem starszego dysku twardego (HDD). Urządzenia przeznaczone są do użytku domowego w komputerach stacjonarnych i laptopach bez długotrwałych obciążeń dysku SSD, ponieważ po przetworzeniu kilku gigabajtów danych prędkość krytycznie spada.

Dyski SSD z pamięcią TLC

W czym pamięć 3D NAND jest lepsza od 2D NAND?

Rozwój technologii komórek wielopoziomowych w pewnym momencie osiągnął swój szczyt ze względów technicznych:

  • Po pierwsze, dalsze zmniejszanie tranzystorów (mniej niż 15 nm) doprowadziłoby do wycieku ładunku elektrycznego i negatywnego wpływu na sąsiadujące sloty pamięci.
  • Po drugie, dwuwymiarowy układ liniowy jest ograniczony wymiarami, nikt nie chce nosić ze sobą pendrive'a czy dysku o pojemności 1 TB wielkości cegły.

Dlatego producenci zaczęli szukać sposobów na ulepszenie planarnej struktury 2D NAND. Pierwsze rozwiązanie w postaci trójwymiarowej tablicy Samsung zaprezentował już w 2013 roku. Nowy układ 3D NAND umożliwił zwiększenie komórek pamięci nie tylko pod względem długości i szerokości, ale także wysokości.

Jednocześnie opracowano nowe podejście do kontroli ładunku elektrycznego – bramkę pływającą zastąpiono pułapką elektroniczną. Odświeżone algorytmy dostępu do danych znacznie poprawiły wydajność i trałowość dysków. Warto zaznaczyć, że światowi producenci pamięci stosują własne podejścia i struktury do realizacji 3D NAND. Rozwiązanie Samsung nazwano V-NAND, natomiast Toshiba i SanDisk używają skrótu BiCS (Bit Cost Scalable). Micron i Hynix postanowili nie wyróżniać się, dlatego używają standardowej nazwy. Dziś struktura 3D NAND liczy około 300 warstw tranzystorów, co pozwala na umieszczenie w kompaktowych matrycach terabajtów danych. Przy tym wzrosła efektywność energetyczna dysków, a intensywność nagrzewania się komponentów znacząco się obniżyła.

Dyski SSD z pamięcią MLC

Perspektywy dalszego rozwoju pamięci flash

Jak już wyjaśniliśmy, eksperymentowanie z procesem technicznym tranzystorów nie ma większego sensu, ponieważ doprowadzi to do zwiększenia wad produkcyjnych i zmniejszenia niezawodności dysku. Dlatego firmy stawiają na postęp w zwiększaniu pojemności i optymalizacji algorytmów dostępu do danych.

Trwają już prace nad pamięcią PLS 3D NAND (Penta Level Cell, komórka pięciopoziomową), co teoretyczni pozwoli na umieszczenie w każdej komórce po 5 bitów. Praktyczne wdrożenie QLC pokazuje jednak, że podejście to nie będzie opłacalne, jeśli nie zostanie rozwiązany problem obniżenia wydajności. Dla jasności, w jednopoziomowej pamięci SLC kontroler podaje na komórkę określone napięcie i od razu uzyskuje dostęp do danych. W przypadku QLC konieczne będzie zapewnienie jednego z 15 wariantów napięcia, co znacznie zmniejsza szybkość dostępu do pamięci. A dla PLS liczba ta wzrasta do 31, co prowadzi nie tylko do opóźnień, ale także skraca żywotność tranzystorów.

Producentom udało się już rozwiązać wiele problemów z wydajnością pamięci flash za pomocą technologii. Dobrym przykładem jest protokół komunikacyjny NVMe, który stał się niemal standardem dla dysków SSD. Wyposażenie w pamięć DRAM gwarantuje niezmiennie wysoką prędkość zapisu dużych ilości informacji oraz bezpośredni dostęp procesora do niej z pominięciem pamięci RAM. Chociaż to podejście jest nadal drogie i jest częściej stosowane w sektorze korporacyjnym. A dla konsumentów opracowano pamięć podręczną SLC, która wykorzystuje wolne komórki pamięci dysków do pośredniego jednobitowego zapisu, co przyspiesza wydajność przy przetwarzaniu małych ilości danych.

Jedna z chińskich firm Yingren Technology, ogłosiła niedawno nowy kontroler o strukturze RISC-V, który rozwiązuje problem przegrzania i throttlingu. Będzie on zorientowany na konsumenta i wyróżniał się minimalną ceną. Maksymalna pojemność takich dysków SSD wyniesie 8 TB.

Wiosną 2024 roku Korea Południowa dokonała przełomu w rozwoju samej struktury komórki, prezentując światu pamięć ze zmianą fazy (PCM). Zasada działania polega na zmianie stanu substancji – krystalicznej lub amorficznej. Technologia wymaga jednak rozwiązania problemów związanych z efektywnością energetyczną, ponieważ konwersja wymaga znacznego zużycia energii elektrycznej i towarzyszy jej wytwarzanie ciepła. A sam proces produkcji jest dość kosztowny, więc zwykli konsumenci nie powinni liczyć na takie innowacje w najbliższej przyszłości.