Пропонуємо вивчити плюси та мінуси NAND, а також підібрати оптимальний SSD із загального каталогу, скориставшись фільтрами за типами пам'яті.

Що таке NAND-пам'ять?

NAND – це тип енергонезалежної флеш-пам'яті, яка широко використовується у різних пристроях для зберігання даних (SSD, USB-флешки, карти пам'яті для смартфонів, фотокамер). Першопочатково вона вміщала один біт інформації, але прагнення до збільшення об'ємів сховищ при збереженні габаритів пристрою призвело до закономірного розвитку технологій у цій галузі. За останні 10 років з'явилося кілька поколінь багатобітної пам'яті, яка дала змогу ущільнити дані та зробити накопичувачі доступними всім користувачам. Виробники також працюють у напрямку зменшення розміру транзистора. Першопочатково кожна комірка займала близько 90 нм, а сучасний показник не перевищує 20 нм. Головною проблемою NAND залишається обмежений термін служби, який обчислюється кількістю циклів перезапису комірок. Довговічність залежить від інтенсивності використання, і навіть бюджетні накопичувачі здатні працювати роками без збоїв.

SSD-накопичувачі з 3D NAND пам'яттю

Відмінності та сфера застосування TLC, QLC, MLC, SLC

Якщо не вдаватися до складних технічних подробиць, то типи пам'яті відрізняються основними характеристиками – ємність, швидкодія, термін служби та вартість.

Багато хто помиляється, вважаючи покоління QLC найбільш прогресивним. Кожен вид має свої переваги і недоліки, які роблять NAND підходящою під певні задачі. Для зручності порівняємо базові характеристики всіх типів:

Порівняльна таблиця характеристик типів NAND-пам'яті
SLC (1-е покоління, 1 біт на комірку) MLC (2-е покоління, 2 біти на комірку) TLS (3-е покоління, 3 біти на комірку) QLS (4-е покоління, 4 біти на комірку) PLS (в розробці, 5 біт на комірку)
Ємність маленька середня велика велика дуже велика
Швидкодія дуже висока висока середня низька низька
Строк служби дуже високий середній середній низький низький
Вартість дуже висока середня середня низька мінімальна

SLC (Single Level Cell, однорівнева) – пам'ять, яка вміщує лише 1 біт даних. Таким чином, якщо розмістити на певній площі 10 відповідних транзисторів, можна зберегти всього 10 біт інформації. SLC є дуже дорогою та найефективнішою пам'яттю, яка застосовується у військовій, науковій, промисловій сферах, де потрібна висока швидкодія та відмовостійкість. Вона дає змогу переписати кожну комірку 100 000 разів і гарантує швидкий доступ до кожної з них незалежно від навантаження.

MLC (Multi Level Cell, багаторівнева) дала змогу збільшити об'єм накопичувачів удвічі та зберігати в кожному транзисторі 2 біти даних. Незважаючи на складнішу конструкцію, пристрої стали дешевшими, але швидкість доступу до інформації теж трохи впала, як і час напрацювання на відмову (10 000 циклів). Назва досі викликає дискусії, тому що логічніше було б використовувати абревіатуру DLC (Dual Level Cell). Набула поширення в серверах і серед ентузіастів за рахунок гарного балансу між швидкодією/надійністю/ціною.

TLC (Triple Level Cell, трирівнева) є найбільш популярною NAND-пам'яттю у 2024 році і, швидше за все, такою залишиться у найближчі кілька років. Вміщує в одному транзисторі 3 біти даних. Вона забезпечує оптимальний баланс ціна/якість. Варто зазначити, що існує неформальний поділ TLC-накопичувачів на споживчі та корпоративні. Останні більш якісні та оснащені сучасними технологіями оптимізації. Для ігрових ПК та серверів важливіший термін служби та швидкодія, тому тут виграють корпоративні TLC. Швидкість читання даних (при підключенні через PCIe) може перевищувати 7000 МБ/с, а запису – 6000 МБ/с. Надійність пристроїв з такою пам'яттю не найвища, але зазвичай виробники дають гарантію на 3-5 років, а фактичний термін служби набагато більший навіть за умови щоденного перезапису 50-100 ГБ інформації. Споживчі TLC більш скромні та доступні за ціною. Швидкодія на запис та читання у них близько 2000 МБ/с, чого більш ніж достатньо для більшості задач протягом багатьох років. Але висока швидкість зберігається лише під час обробки невеликих об'ємів даних, а потім відбувається значне зниження. Варто відзначити, що довговічність багато в чому залежить від загального об'єму накопичувача (більше – краще) та інтенсивності експлуатації (менше – краще). Максимальний термін служби – 3000 циклів перезапису.

QLC (Quad Level Cell, чотирирівнева) – пам'ять, здатна зберігати 4 біти даних у кожній комірці. З одного боку, така реалізація дала змогу збільшити на 50% (порівняно з TLC) об'єм накопичувачів, але негативним фактором став регрес у плані швидкодії та терміну служби (1000 циклів). Тому QLC NAND позиціонується як ефективна і недорога заміна застарілому жорсткому диску (HDD). Пристрої орієнтовані на домашнє застосування в ПК та ноутбуках без тривалих навантажень на SSD, оскільки після обробки кількох гігабайт даних швидкість критично знижується.

SSD з TLC пам'яттю

Чим 3D NAND краща за 2D NAND?

Розвиток багаторівневих комірок у певний момент досяг своєї межі з технічних причин:

  • По-перше, подальше зменшення транзисторів (менше 15 нм) призвело б до витоку заряду та негативного впливу на сусідні слоти пам'яті.
  • По-друге, двовимірне лінійне розташування обмежується габаритами, адже нікому не хочеться носити із собою флешку чи диск на 1 ТБ розміром із цеглину.

Тому виробники почали шукати методи модернізації планарної структури 2D NAND. Перше рішення у вигляді тривимірного масиву було представлене компанією Samsung ще 2013 року. Нове компонування 3D NAND дало змогу нарощувати комірки пам'яті не тільки у довжину та ширину, а й у висоту.

Водночас було розроблено новий підхід до управління зарядом — плаваючий затвор замінили на електронну пастку. Оновлені алгоритми доступу до даних дали можливість значно підвищити швидкодію та термін служби сучасних накопичувачів. Слід зазначити, що світові виробники пам'яті використовують власні підходи та структури для реалізації 3D NAND. Розробка Samsung отримала назву V-NAND, а Toshiba та SanDisk обрали BiCS (Bit Cost Scalable). Компанії Micron і Hynix вирішили не виділятися, тому використовують стандартну назву. На сьогоднішній день структура 3D NAND налічує близько 300 шарів транзисторів, що дає змогу розміщувати в компактних матрицях терабайти даних. При цьому енергоефективність накопичувачів зросла, а нагрівання компонентів значно знизилося.

SSD з MLC пам'яттю

Перспективи подальшого розвитку флеш-пам'яті

Як ми з'ясували, експериментувати з техпроцесом транзисторів немає сенсу, оскільки це призведе до підвищення браку виробництва та зниження надійності сховища. Тому компанії роблять ставку на прогрес у питаннях нарощування ємності та оптимізації алгоритмів доступу до даних.

Вже зараз ведуться розробки PLS 3D NAND (Penta Level Cell, п'ятирівнева), яка в теорії дасть можливість розміщувати 5 біт у кожній комірці. Однак, практична реалізація QLC показує, що такий підхід не буде рентабельним, якщо не вирішити проблему зниження продуктивності. Якщо говорити просто, то однорівневий SLC контролер подає конкретну напругу на комірку і відразу отримує доступ до даних. У разі QLC потрібно забезпечити один з 15 варіантів напруги, що значно знижує швидкість звернення до пам'яті. А для PLS цифра зростає до 31, що веде не лише до затримок, а й до підвищеного зносу транзисторів.

Виробникам вже вдалося вирішити багато проблем швидкодії флеш-пам'яті за допомогою технологій. Гарним прикладом є протокол обміну даними NVMe, який став майже стандартом для SSD. Оснащення буферною пам'яттю DRAM гарантує стабільно високу швидкість запису великих об'ємів інформації та доступ процесора до неї напряму, минаючи ОЗП. Хоча такий підхід все ще є дорогим і застосовується більше для бізнесу. А для споживачів розроблений SLC-кеш, який використовує вільні комірки пам'яті накопичувачів для проміжного однобітного запису, що прискорює швидкодію при обробці невеликих масивів даних.

Одна з китайських компаній Yingren Technology нещодавно анонсувала новий контролер зі структурою RISC-V, який вирішує проблему перегріву та тротлінгу. Він буде орієнтований на споживачів та виділяється мінімальною вартістю. Максимальний об'єм таких SSD досягатиме 8 ТБ.

Південна Корея навесні 2024 року зробила прорив у галузі розвитку самої структури комірки, представивши світові пам'ять зі зміною фази (PCM). Принцип роботи грунтується на зміні стану речовини — кристалізований чи аморфний. Але розробка потребує вирішення проблем з енергоефективністю, оскільки перетворення потребує значних витрат електрики та супроводжується тепловиділенням. Та й сам процес виробництва є досить дорогим, тому звичайним споживачам сподіватися на такі інновації найближчим часом не варто.