Ldpc ssd что это
В конце 2018 года на рынке появились первые SSD на чипах памяти QLC. Компания Samsung презентовала новую линейку QVO, но еще активнее оказались китайцы. Мелкие фирмы наводнили торговые площадки дешевыми твердотельными накопителями. Взять 1 ТБ памяти QLC на AliExpress уже можно примерно за $100.
Дешевизна – это хорошо, но без ложечки дегтя тут не обошлось. Кроме лучшего соотношения цены и емкости, память QLC отличается от предшественников и другими показателями, причем, в худшую сторону.
Память на основе электрических зарядов
Кодирование информации с помощью отрицательного заряда лежит в основе нескольких решений:
- стираемые ультрафиолетом ПЗУ (EPROM);
- электрически стираемые ПЗУ (EEPROM);
- Flash-память.
Каждая ячейка памяти — это полевой МОП-транзистор с плавающим затвором, в котором хранится отрицательный заряд. Его отличие от обычного МОП-транзистора заключается в наличии плавающего затвора — проводника в слое диэлектрика.
При создании разности потенциалов между стоком и истоком и наличии положительного потенциала на затворе от истока к стоку потечет ток. Однако, при наличии достаточно большой разности потенциалов некоторые электроны «пробивают» слой диэлектрика и оказываются в плавающем затворе. Это явление называется туннельный эффект.
Отрицательно заряженный плавающий затвор создает электрическое поле, мешающее протеканию тока от истока к стоку. Более того, наличие электронов в плавающем затворе увеличивает пороговое напряжение, при котором открывается транзистор. При каждой «записи» в плавающий затвор транзистора слой диэлектрика незначительно повреждается, что накладывает ограничение на количество циклов перезаписи каждой ячейки.
Полевые МОП-транзисторы c плавающим затвором были разработаны Давоном Кангом (Dawon Kahng) и Саймоном Мин Зи (Simon Min Sze) из Bell Labs в 1967 году. Позднее, при исследовании дефектов интегральных схем, было замечено, что из-за заряда в плавающем затворе изменилось пороговое напряжение, открывающее транзистор. Это открытие побудило Дова Фромана (Dov Frohman) начать работу над памятью на основе этого феномена.
Изменение порогового напряжения позволяет «программировать» транзисторы. Транзисторы с зарядом в плавающем затворе не откроются при подаче на затвор напряжения больше порогового напряжения для транзистора без электронов, но меньше порогового напряжения для транзистора с электронами. Назовем такое значение напряжением чтения.
Выводы
Главное преимущество QLC перед накопителями на TLC- и MLC-чипах заключается в том, что в тот же физический объём удалось поместить ещё больше памяти. Так что QLC не вытеснят с рынка предыдущие технологии, и уж тем более не станут конкурентами для HDD.
Разница между QLC и TLC по скорости будет заметна при запуске тяжелых программ и при интенсивном обмене данными. Но обычный пользователь этого может не заметить, потому что в компьютерах того уровня, для которых рекомендуются QLC-накопители, программа дольше ожидает действий пользователя, чем работает с данными.
Можно смело сказать, что ниша недорогих накопителей для компьютеров небольшой производительности, когда не имеет смысла переплачивать за повышенную надежность или максимальные скорости записи и чтения, успешно занята. В таких компьютерах QLC SSD может быть единственным накопителем, на котором будут установлены система и необходимые программы, а также храниться данные пользователя. А в энтерпрайзе — революции не произошло, здесь по прежнему пока будут отдавать предпочтение более надёжным TLC и медленным, но неприхотливым HDD.
Однако технологии не стоят на месте, уже в этом году производители обещают начать переход на техпроцесс в 7 нм, а в перспективе, в 2021 году и позже — грядут техпроцессы 5 и 3 нм. Совершенствуются алгоритмы контроллеров, некоторые фирмы обещают «умные» SSD-накопители, которые будут в несколько раз быстрее, при некоторых специфичных сценариях использования, планируется развитие технологий 3D NAND.
Так что, подождем пару лет и посмотрим, что ещё смогут нам предложить производители.
Для получения дополнительной информации о продукции Kingston обращайтесь на официальный сайт компании.
Прошлые части цикла «Введение в SSD» поведали читателю про историю появления SSD-накопителей, интерфейсы взаимодействия с ними и популярные форм-факторы. Четвёртая часть расскажет о хранении данных внутри накопителей.
В предыдущих статьях цикла:
Каждая ячейка твердотельного накопителя хранит один или несколько бит информации. Для хранения информации используются различные физические процессы. При разработке твердотельных накопителей прорабатывались следующие физические величины для кодирования информации:
- электрические заряды (в том числе Flash-память);
- магнитные моменты (магниторезистивная память);
- фазовые состояния (память с изменением фазового состояния).
Скорость доступа
Начнём с одной из наиболее заметных для пользователя особенностей QLC SSD — снижения скорости записи при заполнении кэша накопителя. Поскольку скорость доступа у QLC и так сравнительно невысокая, то производители стараются увеличить её с помощью кэширования. В SSD для этого используется собственный массив ячеек диска, которые переводятся в однобитный режим работы — SLC.
Существует несколько алгоритмов кэширования. Зачастую под кэш выделяется небольшая часть ёмкости самого накопителя — в среднем, от 2 до 16 Гб, в некоторых моделях может быть до нескольких десятков гигабайтов. Недостаток метода в том, что если при работе компьютера идет интенсивный обмен данными, то небольшой объем кэша может быстро заполнится и скорость чтения/записи резко упадет.
Более технологичные компании используют продвинутые контроллеры, которые умеют динамически переводить часть ячеек в быстрый режим SLC, в этом случае объем кэша зависит от общего объема накопителя и может достигать 10 %. В современных SSD используются оба метода: сравнительно небольшое количество статического кэша дополняется динамически выделяемым объемом, который получается в разы больше. Чем больше свободного места, тем больше размер кэша и тем сложнее исчерпать его объем. Логично, что более объемный накопитель имеет кэш большего размера, а значит в нем динамический кэш будет работать эффективнее.
Наглядная зависимость размера SLC-кэша от объема накопителя и свободного места на нем.
Ошибки чтения
Усложнение архитектуры QLC по сравнению с TLC привело и к росту количества ошибок чтения данных. Для их исправления потребовалось внедрить принудительное использование алгоритмов ECC (Error correction code, коды коррекции ошибок). С их помощью контроллер самостоятельно исправляет почти все ошибки чтения данных. И разработка эффективных алгоритмов коррекции — одна из сложнейших задач при создании QLC-накопителей, поскольку требуется не только обеспечить высокую эффективность коррекции (выражается в количестве исправленных битов на 1 Кб данных), но и как можно меньше обращаться к ячейкам памяти, чтобы экономить их ресурс. Для этого производители внедряют более производительные контроллеры, но главное — задействуют мощные научно-статистические аппараты для создания и совершенствования алгоритмов.
Что нам предлагает технология QLC?
Количество битов, записанных в одной ячейке NAND, определяется тем, сколько уровней заряда находится в транзисторе с плавающим затвором. Чем их больше, тем больше битов может хранить один транзистор. В этом и заключается главное отличие технологии QLC от «предыдущей» TLC — количество битов в одной ячейке выросло с трёх до четырёх.
С увеличением количества уровней заряда очень сильно меняются характеристики накопителя: падает скорость доступа, уменьшается надежность хранения информации, но при этом возрастает ёмкость, а соотношение цена/объем становится привлекательнее для покупателей. Соответственно, чипы, построенные по технологии QLC, дешевле, чем предыдущее поколение TLC, в которых хранится по три бита в одной ячейке. В то же время QLC менее надежны, потому что вероятность выхода ячейки из строя существенно увеличивается с каждым новым уровнем.
3D NAND
Еще одна новинка, используемая в накопителях нового поколения А-брендов — перенос управляющей и питающей обвязки под массив ячеек. Благодаря этому уменьшилась площадь кристаллов и стало возможно размещать по четыре банка памяти там, где раньше помещалось только два. А это, в свою очередь, позволило распараллелить запросы и увеличить скорость работы с памятью. Кроме того, меньшая площадь кристаллов позволила увеличить емкость накопителей.
Возросшая плотность ячеек помогает бороться и с более быстрой деградацией памяти. С этой задачей разобрались «в лоб», с помощью еще большей избыточности массива ячеек.
Прототипы QLC-чипов показали прошлым летом, а первые обещания о выпуске SSD по новой технологии прозвучали в начале этого года. Летом практически все фирмы производящие накопители, сообщили о том, что они уже готовы к массовому выпуску, озвучили названия новых моделей, их цены и характеристики. Сейчас уже можно приобрести SSD с QLC-чипами. Большинство моделей выпускается в форм-факторе M.2 и 2.5", с емкостями 512 гигабайт, 1 и 2 терабайта.
Ресурс записи
Микроскопические транзиторы, из которых состоят чипы, имеют ограниченный ресурс. Под воздействием тока они постепенно деградируют, теряя чувствительность. Поэтому каждый акт записи данных в ячейку дается ей с большим трудом, чем предыдущий. Когда ресурс кончается, в ячейку уже ничего не запишешь, потому что она оказывается нечувствительной к воздействующему току.
У чипов SLC памяти, которая имеет всего два состояния, износ наступает поздно. А вот QLC, у которой этих состояний аж 16, деградация происходит гораздо быстрее. Ведь ячейка, конструкция которой принципиально не отличается от SLC (тот же транзистор, удерживающий электронный заряд), подвергается нагрузкам в разы чаще.
Если одноуровневая ячейка не хочет писать данные, можно просто поднять напряжение. С многоуровневыми чипами этот номер не проходит, так как большее значение тока уже означает другое состояние. В итоге, если вместо значения 0010 запишется 0011, данные окажутся записаны неверно, файл будет поврежден.
Точный ресурс четырехуровневых ячеек назвать сложно, так как он зависит от конкретного чипа, но нередко это менее 1000 циклов записи. То есть, если 1000 раз подряд забивать SSD данными и форматировать его – диск перейдет в режим «только чтение».
Память с изменением фазового состояния
Третий перспективный вид памяти — память на основе фазового перехода. Данный вид памяти использует свойства халькогенидов переключаться между кристаллическим и аморфным состоянием при нагреве.
Халькогениды — бинарные соединения металлов с 16-ой группой (6-ой группы главной подгруппы) периодической таблицы Менделеева. Например, в CD-RW, DVD-RW, DVD-RAM и Blu-ray дисках используются теллурид германия (GeTe) и теллурид сурьмы (III) (Sb2Te3).
Исследования по применению фазового перехода для хранения информации проводились в 1960-ые года Стэнфордом Овшинским (Stanford Ovshinsky), но тогда до коммерческой реализации дело не дошло. В 2000-х снова возник интерес к технологии, Samsung запатентовала технологию, позволяющую переключать бит за 5 нс, а Intel и STMicroelectronics увеличили количество состояний до четырех, тем самым увеличив возможный объем вдвое.
При нагреве выше точки плавления халькогенид теряет кристаллическую структуру и, остывая, превращается в аморфную форму, характеризующуюся высоким электрическим сопротивлением. В свою очередь при нагревании до температуры выше точки кристаллизации, но ниже точки плавления халькогенид возвращается в кристаллическое состояние с низким уровнем сопротивления.
Память с изменением фазового перехода не требует «подзарядки» с течением времени, а также не восприимчива к радиационному излучению, в отличие от памяти на электрических зарядах. Такой тип памяти может сохранять информацию в течение 300 лет при температуре 85°С.
Считается, что разработка Intel, технология 3D Crosspoint (3D XPoint) использует именно фазовые переходы для хранения информации. 3D XPoint используется в накопителях Intel® Optane™ Memory, для которых заявлена большая износостойкость.
Ресурс
Особенности архитектуры QLC не только снижают надёжность, но и приводит к явлению «усиления записи» (Write amplification, WA). Хотя корректнее было бы говорить «умножение записи», однако вариант «усиление» пока что больше распространён в Рунете.
В чём суть WA? В SSD физически с ячейками выполняется гораздо больше операций чтения/записи, чем требуется для того объёма данных, непосредственно принятого от операционной системы. В отличие от традиционных HDD, у которых очень небольшой «квант» перезаписываемых данных, данные на SSD хранятся довольно большими «страницами», обычно по 4 КБ каждая. Также есть понятие «блок» — минимальное количество страниц, которые могут быть перезаписаны. Обычно блок содержит от 128 до 512 страниц.
Например, цикл перезаписи в SSD состоит из нескольких операций:
- переместить страницы из стираемого блока в место временного хранения,
- очистить место занимаемое блоком,
- переписать временный блок, добавив новые страницы,
- записать обновленный блок на старое место,
- очистить место, используемое для временного хранения.
Степень «усиления записи» выражается коэффициентом WAF (Write amplification factor): отношение фактически перезаписываемого объёма данных к объёму, который требуется перезаписать. В идеале, когда не используется компрессия, WAF равен 1. Реальные же значения очень сильно зависят от разных факторов, например, от размера перезаписываемых блоков и алгоритмов используемых в контроллерах.
А поскольку ячейки QLC гораздо чувствительнее к количеству циклов перезаписи, то размер WAF стал намного важнее, чем для TLC и MLC.
Какие ещё факторы негативно влияют на WAF в QLC-накопителях?
-
Алгоритм «сборки мусора», который ищет неравномерно заполненные блоки, которые одновременно содержат пустые и заполненные страницы, перезаписывая их таким образом, чтобы блоки содержали только пустые или только заполненные страницы, что, в дальнейшем, уменьшает количество операций, приводящих к WA.
Вот пример «усиления записи» из-за работы механизмов wear leveling и сборки мусора:
Например, с помощью over-provisioning (OP) — выделяя для служебных нужд часть объёма, который не доступен пользователю.
OP = (физическая ёмкость — доступная пользователю ёмкость) / доступная пользователю ёмкость
Чем больше выделяемая область, тем больше свободы у контроллера и быстрее работа его алгоритмов. Например, раньше под OP выделяли разницу между «реальным» и «маркетинговым» гигабайтом, то есть между 10 9 = 1 000 000 000 байтов и 2 30 = 1 073 741 824 байтов и, что равняется 7,37 % от общего объёма накопителя. Есть и ряд других ухищрений для выделения служебного пространства. Например современные контроллеры позволяют динамически задействовать под OP весь текущий свободный объём накопителя.
Примерная зависимость WAF от размера OP:
Позволяет снизить WAF и алгоритм разделения статических и динамических данных (Separating static and dynamic data). Контроллер вычисляет, какие данные перезаписываются часто, а какие преимущественно читаются, или вообще не изменяются, и соответствующим образом группирует блоки данных на диске.
К прочим инструментам уменьшения WAF в QLC-накопителях относятся методики последовательной записи (очень примерно это можно сравнить с привычной нам дефрагментацией HDD). Алгоритм определяет блоки, которые могут принадлежать одному большому файлу и не требуют обработки сборщиком мусора. Если операционная система даст команду на удаление или изменение этого файла, то его блоки будут стираться или перезаписываться целиком, не включаясь в цикл WA, что повышает скорость и меньше изнашивает ячейки памяти. Наконец, свой вклад в борьбу с WA вносит компрессия данных перед записью и дедупликация.
Как вы уже поняли, надёжность и ресурс QLC-накопителей зависит далеко не только от используемых чипов памяти, но и от производительности контроллера, а главное — от продвинутости всевозможных алгоритмов, заложенных в контроллер. Многие компании, даже крупные, покупают контроллеры у других фирм, специализирующихся на их выпуске. Небольшие китайские фирмы пользуются недорогими и простыми контроллерами прошлых поколений, руководствуясь не качеством и новизной алгоритмов, а ценой. Крупные компании не экономят на железе для своих SSD и выбирают контроллеры, обеспечивающие накопителю долгую жизнь и бо̒льшую скорость работы. Лидеры среди производителей контроллеров для SSD постоянно меняются. А ведь кроме сложных контроллеров огромную роль играют и алгоритмы прошивок, которые крупные производители разрабатывают самостоятельно, не доверяя это важное дело сторонним компаниям.
Flash-память
Flash-память, совмещающая лучшие черты EPROM и EEPROM, разработана японским профессором Фудзио Масуокой (Fujio Masuoka), инженером компании Toshiba, в 1980 году. Первая разработка получила название Flash-память типа NOR и, как и ее предшественники, основана на полевых МОП-транзисторах с плавающим затвором.
Flash-память типа NOR — это двухмерный массив транзисторов. Затворы транзисторов подключены к линии слов, а стоки — на линию битов. При подаче напряжения на линию слов транзисторы, содержащие электроны, то есть хранящие «единицу», не откроются и ток не потечет. По наличию или отсутствию тока на линии бита делается вывод о значении бита.
Спустя семь лет Фудзио Маусока (Fujio Masuoka) разработал Flash-память типа NAND. Данный вид памяти отличается количеством транзисторов на битовой линии. В памяти типа NOR каждый транзистор напрямую подключен к битовой линии, в то время как в NAND-памяти транзисторы подключены последовательно.
Чтение из памяти такой конфигурации сложнее: на необходимую линию слова подается напряжение, необходимое для чтения, а на все остальные линии слова подается напряжение, которое открывает транзистор вне зависимости от уровня заряда в нем. Так как все остальные транзисторы гарантированно открыты, то наличие напряжения на битовой линии зависит только от одного транзистора, на которое подано напряжение чтения.
Изобретение Flash-памяти типа NAND позволяет значительно уплотнять схему, размещая бо́льший объем памяти при тех же размерах. До 2007 года объем памяти увеличивали путем уменьшения производственного техпроцесса чипа.
В 2007 году компания Toshiba представила новую версию NAND-памяти: Vertical NAND (V-NAND), также известную как 3D NAND. В этой технологии делается акцент на размещение транзисторов в несколько слоев, что вновь позволяет уплотнить схему и увеличить объем памяти. Тем не менее, уплотнение схемы не может повторяться до бесконечности, поэтому исследовались другие методы увеличения хранимого объема памяти.
Изначально каждый транзистор хранил два уровня заряда: логический ноль и логическую единицу. Такой подход называется Single-Level Cell (SLC). Накопители с такой технологией отличаются высокой надежностью и максимальным количеством циклов перезаписи.
Со временем было принято решение увеличить объем накопителей ценой износостойкости. Так количество уровней заряда в ячейке до четырех, а технологию назвали Multi-Level Cell (MLC). Следом появились Triple-Level Cell (TLC) и Quad-Level Cell (QLC). В будущем появится новый уровень — Penta-Level Cell (PLC) с пятью битами в одной ячейке. Чем больше бит помещается в одну ячейку, тем больше объем накопителя при той же стоимости, но меньше износостойкость.
Уплотнение схемы уменьшением техпроцесса и увеличения количества бит в одном транзисторе негативно сказываются на хранимых данных. Несмотря на то, что в EPROM и EEPROM используются те же самые транзисторы, EPROM и EEPROM способны хранить данные без питания десять лет, в то время как современная Flash-память может все «забыть» уже через год.
Использование Flash-памяти в космической индустрии затруднительно, так как радиация пагубно влияет на электроны в плавающих затворах.
Перечисленные проблемы мешают Flash-памяти стать безоговорочным лидером в области хранения информации. Несмотря на то, что накопители на базе Flash-памяти широко распространены, ведутся исследования других видов памяти, лишенных этих недостатков, среди которых хранение информации в магнитных моментах и фазовых состояниях.
Скорость работы
Из-за того, что ячейка содержит несколько бит, скорость доступа к ней и ее чтения значительно снижается. Если в SLC контроллеру достаточно знать, есть там напряжение или нет, то в QLC требуется определить его уровень, сопоставить с числовым значением (те самые 0000, 0001, 0010 и т.д.), чтобы узнать значение запрашиваемого бита. Это несколько замедляет общую скорость работы, хоть и не на порядки.
Гораздо хуже ведет себя память на чипах QLC при записи данных. В ее ходе диску приходится неоднократно считывать значение ячейки, чтобы узнать предыдущее состояние, изменить его с учетом изменения значения на одном из уровней, и записать. Эти операции отнимают время, из-за чего скорость проседает.
Чтобы компенсировать снижение быстродействия, производители SSD используют кэш. Он представляет собой участок памяти, работающий в SLC режиме, а потому и весьма быстрый. Однако он «не резиновый», и при записи больших массивов данных (вроде копирования фильмов) не спасает.
Из-за того, что без помощи кэша SSD становится медлительным, тестирование в бенчмарках может не отражать реальной скорости работы диска. То есть, Crystal Disk Mark может показывать скорость линейной записи SATA диска на уровне 550 МБ/с (ограничение шины SATA III), но если попытаться залить на накопитель коллекцию фильмов – скорость окажется всего 100 МБ/с.
Позиционирование QLC-накопителей
Для начала стоит честно признать, что накопители, созданные по новой технологии QLC, категорически не годятся для серьёзных/критических задач. И причиной тому целый ряд технических трудностей, которые приходится решать инженерам как крупных корпораций-изобретателей, так и китайских «последователей».
К примеру, на сайте Intel новые SSD предлагаются только в сегменте для домашних компьютеров среднего уровня. Особенно оправдано их применение в малопроизводительных нетбуках, в чьи задачи не входят игры или работа с базами данных, а стоимость, наоборот, очень важна. Подобные «печатные машинки» становятся всё более востребованы. Для работы в сегменте «энтерпрайз» предлагаются исключительно накопители с чипами MLC и TLC.
Если сравнивать характеристики брендовых SSD (дешёвые китайские рассматривать нет смысла, недорогие контроллеры убивают все характеристики), то средняя цена QLC-накопителей примерно на 20-30 % ниже MLC, при одинаковом форм-факторе и объёме.
Скорость доступа. Для модели с чипами QLC она составляет: на чтение до 1500 Мб/сек, на запись до 1000 Мб/сек. Для модели на чипах TLC — 3210 Мб/сек и 1625 Мб/сек соответственно. Скорость записи у QLC-накопителя в полтора раза ниже, а чтения — в два. Разница существенная, но для серфинга в инете и редактирования текстов — более чем достаточная.
TBW (Total Bytes Written). Критичный параметр, характеризующий ресурс SSD. Он говорит о том, какое максимальной количество терабайтов можно записать на накопитель. Чем TBW выше, тем более живучий диск и тем дольше он сможет проработать без сбоев. У всех моделей серии 760p ресурс составляет 288 TBW, а у 660p — всего 100 TBW. Практически трехкратная разница.
DWPD (Drive Writes Per Day). Этот показатель надёжности говорит о том, сколько раз в день можно перезаписать весь накопитель целиком, и рассчитывается по формуле:
DWPD = TBW / 0,512 * 365 * 5
где 0,512 — объем накопителя в терабайтах;
365 — количество дней в году;
5 — количество лет гарантии.
DWPD более объективен, потому что при расчете учитывается время, в течение которого производитель обязуется бесплатно решать проблемы с накопителем. Для QLC-модели DWPD равен 0,1, а для TLC-моделей — 0,32. Другими словами, в данном примере каждый день QLC может полностью перезаписывать 50 Гб — это его штатный режим работы. Учитывая, что при той же цене ёмкость QLC-накопителей выше MLC, то средний пользователь «печатной машинки с интернетом» вряд ли успеет выработать этот ресурс.
Эти два устройства — яркий пример того, как инженерам приходится решать множество технических сложностей, которые в QLC проявились ярче, чем в TLC. В частности, у QLC ниже скорость доступа на запись и чтение, ниже ресурс, выше коэффициент WAF (подробнее о нём — ниже). Давайте рассмотрим подробнее основные трудности и методы их решения.
Заключение
Физическое устройство твердотельных накопителей претерпело множество изменений за более, чем полувековую историю, однако, каждое из решений имеет свои недостатки. Несмотря на неоспоримую популярность Flash-памяти, несколько компаний, среди которых Samsung и Intel, прорабатывают возможность создания памяти на магнитных моментах.
Сокращение износа ячеек, их уплотнение и повышение общей емкости накопителя — вот направления, которые в настоящий момент являются перспективными для дальнейшего развития твердотельных накопителей.
Протестировать самые крутые на сегодняшний день накопители NAND и 3D XPoint можно уже сейчас в нашей Selectel LAB.
Как вы считаете, будет ли технологии хранения информации на электрических зарядах вытеснена другими, например, кварцевыми дисками или оптической памятью на нанокристаллах соли?
Точно так же, как транзисторы совершили революцию в компьютерной области, увеличив скорость переключения и выполнения математических операций, использование полупроводниковых устройств в качестве накопителей привело к такому же результату.
Первые шаги на этом пути были сделаны компанией Toshiba, предложившей в 1980 году концепцию флеш-памяти. Четыре года спустя она создала NOR-память, а в 1987 году — NAND-память. Первый коммерческий накопитель с использованием флеш-памяти (solid state drive, или SSD) был выпущен SunDisk (позже переименованной в SanDisk) в 1991 году.
Большинство людей начало своё знакомство с твердотельными накопителями с так называемых USB-флешек. Даже сегодня их структура в целом напоминает конструкцию большинства SSD.
Слева показан один чип NAND-памяти SanDisk. Как и SRAM, он используется в кэшах ЦП и GPU. Он заполнен миллионами «ячеек», созданных из модифицированных транзисторов с плавающим затвором. В них используется высокое напряжение для записи и стирания заряда в отдельных участках транзистора. При считывании ячейки на участок подается пониженное напряжение.
Если ячейка не заряжена, то при подаче пониженного напряжения ток течёт. Это даёт системе понять, что ячейка имеет состояние 0; в противоположном случае она имеет состояние 1 (т.е. при подаче напряжения ток не течёт). Благодаря этому чтение из NAND-памяти выполняется очень быстро, но запись и удаление данных не так быстры.
Самые лучшие ячейки памяти, называаемые одноуровневыми ячейками (single level cells, SLC), имеют только одну величину заряда, создаваемого на участке транзистора; однако существуют и ячейки памяти, способные иметь несколько уровней заряда. В общем случае всех их называют многоуровневыми ячейками (multi-level cells, MLC), но в отрасли производства NAND-памяти аббревиатурой MLC обозначают 4 уровня заряда. Другие типы имеют похожие названия: трёхуровневые (triple level, TLC) и четырёхуровневые (quad level, QLC) имеют, соответственно, 8 и 16 различных уровней заряда.
Это влияет на то, сколько данных можно хранить в каждой ячейке:
- SLC — 1 уровень = 1 бит
- MLC — 4 уровня = 2 бита
- TLC — 8 уровней = 3 бита
- QLC — 16 уровней = 4 бита
В отличие от SRAM и DRAM, при отключении питания заряд в флеш-памяти сохраняется и его утечка происходит очень медленно. В случае системной памяти ячейки разряжаются за наносекунды, а поэтому постоянно должны обновляться. К сожалению, использование напряжения и подача заряда повреждают ячейки, и поэтому SSD со временем изнашиваются. Чтобы бороться с этим, используются хитрые процедуры, минимизирующие скорость износа; обычно они делают так, чтобы использование ячеек было наиболее равномерным.
Эту функцию контролирует управляющий чип, показанный справа. Ещё он выполняет те же задачи, что и чип LSI, используемый в HDD. Однако в приводах с вращающимися дисками есть отдельные чипы для DRAM-кэша и встроенного ПО Serial Flash, а в USB-флешке оба контроллера встроены. И поскольку они проектируются так, чтобы быть дешёвыми, особой функциональности вы от них не получите.
Но благодаря отсутствию подвижных частей можно с уверенностью ожидать, что производительность флеш-памяти будет выше, чем у HDD. Давайте посмотрим на показатели с помощью CrystalDiskMark:
Поначалу результаты разочаровывают. Скорость последовательного чтения/записи и случайной записи гораздо хуже, чем у протестированного HDD; однако произвольное чтение намного лучше, и это то преимущество, которое обеспечивает флеш-память. Запись и удаление данных выполняются довольно медленно, зато считывание обычно производится мгновенно.
Однако у этого теста есть ещё одна незаметная особенность. Тест USB-памяти обеспечивает подключение только по стандарту USB 2.0, который имеет максимальную скорость передачи всего 60 МБ/с, а HDD использовал порт SATA 3.3, обеспечивающий пропускную способность в 10 раз больше. К тому же использованная технология флеш-памяти довольно проста: ячейки имеют тип TLC и выстроены в длинные параллельные полосы; такая компоновка называется плоской (planar) или двухмерной (2D).
Флеш-память, используемая в лучших современных SSD, имеет тип SLC или MLC, то есть она работает чуть быстрее и изнашивается чуть медленнее, а полосы согнуты пополам и выстроены стоймя, образуя вертикальную или трёхмерную структуру ячеек. Также в них используется интерфейс SATA 3.0, хотя всё чаще применяется более быстрая система PCI Express через интерфейс NVMe.
Давайте взглянем на один такой пример: Samsung 850 Pro, в котором использованы эти хитрости с вертикальным расположением.
В отличие от тяжёлого 3,5-дюймового привода Seagate, этот SSD имеет размер всего 2,5 дюйма и намного тоньше и легче.
Откроем его (спасибо Samsung за использование таких дешёвых болтов Torx, которые чуть не развалились при демонтаже. ) и увидим, почему:
В нём почти ничего нет!
Ни дисков, ни рычагов, ни магнитов — просто одна печатная плата, состоящая из нескольких чипов.
Так что же мы тут видим? Небольшие чёрные чипы — это регуляторы напряжения, а остальные выполняют следующие функции:
- Samsung S4LN045X01-8030: трёхъядерный процессор на основе ARM Cortex R4, занимающийся обработкой инструкций, данными, коррекцией ошибок, шифрованием и управлением износом
- Samsung K4P4G324EQ-FGC2: 512 МБ памяти DDR2 SDRAM, используемой для кэша
- Samsung K9PRGY8S7M: каждый чип — это 64 ГБ 32-слойной вертикальной флеш-памяти NAND типа MLC (в сумме 4 чипа, два расположены на другой стороне платы)
Улучшение оказалось огромным. Скорость и чтения, и записи стала значительно выше, а задержки намного меньше. Что ещё нужно для счастья? Меньше и легче, нет подвижных деталей; к тому же SSD потребляют меньше энергии, чем механические дисковые накопители.
Разумеется, за все эти преимущества имеют свою цену, и здесь слово «цена» используется в буквальном смысле: вы же помните, что за 350 долларов можно купить HDD на 14 ТБ? Если брать SSD, то за эту сумму удастся приобрести только 1 или 2 ТБ. Если вы хотите накопитель такого же уровня, то пока лучшее, что вы можете сделать — это потратить 4 300 долларов на один SSD корпоративного уровня ёмкостью 15,36 ТБ!
Некоторые производители изготавливали гибридные HDD — стандартные жёсткие диски, на печатных платах которых было размещено немного флеш-памяти; она используется для хранения данных на дисках, к которым часто осуществляется доступ. Ниже показана плата из гибридного накопителя Samsung ёмкостью 1 ТБ (иногда называемого SSHD).
В правом верхнем углу платы находятся чип NAND и его контроллер. Всё остальное примерно такое же, как и в модели Seagate, которую мы рассматривали в предыдущем посте.
Мы можем в последний раз воспользоваться CrystalDiskMark, чтобы посмотреть, есть ли какая-то ощутимая выгода от использования флеш-памяти в качестве кэша, но сравнение будет нечестным, так как диски этого накопителя вращаются со скоростью 7200 rpm (а у HDD WD, который мы использовали для аутопсии — всего с 5400 rpm):
Показатели немного лучше, но причиной этого, вероятно, является повышенная скорость вращения — чем быстрее диск перемещается под головками чтения-записи, тем быстрее можно передавать данные. Стоит также заметить, что файлы, сгенерированные тестом бенчмарка, не будут распознаны алгоритмом как активно считываемые, а значит, контроллер скорее всего не сможет правильно использовать флеш-память.
Несмотря на это, более качественное тестирование показало улучшение производительности HDD с встроенным SSD. Однако дешёвая флеш-память, скорее всего, выйдет из строя намного быстрее, чем качественный HDD, поэтому гибридные накопители, вероятно, не стоят нашего внимания — индустрия производства накопителей гораздо сильнее заинтересована в SSD.
Прежде чем мы двинемся дальше, стоит упомянуть, что флеш-память — не единственная технология, используемая в твёрдотельных накопителях. Intel и Micron совместно изобрели систему под названием 3D XPoint. Вместо записи и стирания зарядов зарядов в ячейках для создания состояний 0 и 1, для генерации битов в этой системе ячейки изменяют своё электрическое сопротивление.
Intel рекламировала эту новую память под брендом Optane, и когда мы протестировали её, производительность оказалась выдающейся. Как и цена системы, но в плохом смысле. Накопитель Optane всего на 1 ТБ сегодня стоит более 1 200 долларов — в четыре раза больше, чем SSD такого же объёма на основе флеш-памяти.
Третьим и последним накопителем, который мы исследуем в следующей статье, будут оптические приводы.
В настоящее время код исправления ошибок ECC является в основном два BCH и LDPCS в SSD. Однако, поскольку SSDS становятся более высокими и выше для коррекции ошибок ECC, код исправления ошибок BCH начинает некоторую трудную силу, поэтому код исправления ошибок LDPC представляет собой тенденцию разработки и последним и самым основным кодом исправления ошибок.
Давайте посмотрим на основы Nand Flash-памяти. Вот пример MLC Nand здесь. В MLC NAND есть четыре уровня VT. Как показано ниже,
В качестве циклов P / E увеличивается, распределение напряжения VT MLC NAN стало большим, как показано ниже,
Когда цикл P / E имеет определенное значение, будет пересекаться между MLC NAND, что приведет к ошибке чтения данных. В это время необходимо задать код исправления ошибок LDPC.
LDPC, является аббревиатурой кода проверки четности с низкой плотностью, переведенным на китайский, - это «код паритета низкой плотности». В 1963 году ЛДПЦ появился в документах, опубликованных доктором R.GALLAGER. Код LDPC является редким кодом пакетов матрицы калибра. Почему это называется «редким»? Поскольку 1 чехл матрицы намного меньше 0, то преимущество состоит в том, что сложность декодирования низкая, а структура очень гибкая.
В кодировке LDPC используется контрольная матрица, называемая H матрицами, например, давайте возьмем форму H Matrix:
Чтобы понять матрицу H более интуитивным, матрица H может быть представлена диаграммой Tanner:
Левый V1 до V7 представляет собой переменный узел, а правая сторона C1 к C3 является контрольным узлом. Кабель между переменного узлом и контрольным узлом называется краем (кромки), а также представляет количество соединительных линий (ребра) на каждом узле в этой матрице H. Степень.
Кодирование LDPC разделено на регулярное кодирование и не регулярное кодирование. В регулярном кодировании число поперечного и продольного направления фиксировано. В несправедливой кодировании число поперечного и продольного направления не фиксируется. Например, обычная матрица кодирования LDPC:
В этой регулярной матрице H боковое измерение DR = 4, продольный размер DC = 3. Длина кодового слова = 20.
Матрица с помощью матричной матрицы H, называемая матрицей G, также является матрицей. Создание отличной матрицы Halibration H - это основное содержание разного основного контроллера SSD, чтобы реализовать содержание основного содержания ЛДПЦ, каждый с собственными патентами.
Во время процесса декодирования LDPC внутри SSD два аспекта содержания: жесткие декоды и мягкие декодирования. Способ декодирования LDPC состоит в том, чтобы получить кодовое слово, умноженное с помощью матрицы проверки H, если это матрица 0, то правильное кодовое слово получен. И наоборот, код не является правильным, а затем дальнейшая коррекция ошибок выполняется в соответствии с результатами множителя.
Messag Passing - это общий метод жесткого декодирования LDPC. Проверьте узел и переменные узлы передают информацию, и она итерации, пока все паритеты не равно 0, то декодирование успешно.
Итерация 1: после первой итерации передачи информации, жесткий декодированный декодированный, в это время N0, N4, N6 по-прежнему 1.
Принцип мягкого декодирования состоит в том, чтобы отрегулировать различные уровни чтения, определить, что бит составляет 1 или 0 вероятность в соответствии с результатом чтения, а затем реализовал мягкий декодирующий в соответствии с вероятностью 1 или 0, как показано ниже.
Что такое QLC
QLC расшифровывается как «quad level cell» и в переводе означает «четырехуровневая ячейка». Как и следует из названия, такая ячейка памяти содержит в себе сразу 4 бита данных. Это больше, чем у TLC (3 бита), MLC (2 бита) и SLC (1 бит). Соответственно, один чип такой памяти может вместить до 4 раз больше информации. Так как производство нового чипа обходится не сильно дороже, чем SLC, MLC или TLC, в расчете на единицу объема конечная стоимость SSD выходит ниже.
У одноуровневой памяти SLC есть всего два значения на ячейку: напряжение есть (1) и напряжения нет (0). У двухуровневой MLC таких значений уже 4: по паре 0 и 1 для первого и второго уровня (комбинации 00, 01, 10, 11). Соответственно, чтобы записать сразу 4 бита в одну ячейку, нужно поддерживать 16 значений (0000, 0001, 0010, 0011, 0100, 0101, 0110, 0111 и т.д.). Именно эта сложная структура и порождает побочные эффекты.
Erasable Programmable Read-Only Memory
В 1971 году сотрудник Intel, Дов Фроман (Dov Frohman), создал перезаписываемую память на транзисторах, названную Erasable Programmable Read-Only Memory (EPROM). Запись в память проводилась с помощью специального устройства — программатора. Программатор подает на чип более высокое напряжение, чем применяется в цифровых схемах, тем самым «записывает» электроны в плавающие затворы транзисторов, где это необходимо.
В EPROM-памяти не предполагалась очистка плавающих затворов транзисторов электрическим способом. Вместо этого предлагалось воздействовать на транзисторы сильным ультрафиолетовым излучением, фотоны которого придают электронам энергию, необходимую, чтобы покинуть плавающий затвор. Для доступа ультрафиолета вглубь чипа на корпус добавлено кварцевое стекло.
EPROM-память дороже применявшихся ранее «одноразовых» постоянных запоминающих устройств (ПЗУ), однако возможность перепрограммирования позволяет отлаживать схемы быстрее и сократить время разработки нового аппаратного обеспечения.
Перепрограммирование ПЗУ ультрафиолетовым светом был значительным прорывом, однако, идея электрической перезаписи уже «витала» в воздухе.
Специфика применения
Из-за ограниченного ресурса SSD с памятью QLC нежелательно использовать в качестве системного накопителя под ОС. Конечно, свой гарантийный срок он отработает даже при активной эксплуатации, но в постоянно нагруженных системах такие диски долго не протянут. Ведь даже трехуровневая память TLC, при использовании в них, показывает не лучшую долговечность.
Использовать новые бюджетные SSD можно в качестве файлового хранилища. Если держать на них фильмы, музыку, фотографии, устанавливать игры – такого диска хватит надолго. Поэтому, если ваши задачи именно такие, можно смело покупать бюджетные твердотельные накопители на чипах QLC вместо традиционного жесткого диска.
Невысокая скорость тоже является минусом SSD с памятью QLC. Из-за нее сфера их применения ограничивается еще сильнее. Если вы хотите проапгрейдить ноутбук, имеющий только один разъем для накопителя, новые четырехуровневые твердотельные диски будут явно не лучшим вариантом. Желательно переплатить, или взять объем поменьше, но на более долговечной и скоростной памяти MLC или TLC.
Гораздо больше пространства для маневра предоставляют настольные ПК. Большинство современных материнских плат оснащается слотами M.2 для установки скоростного SSD. Если собирать компьютер на такой материнке, наилучшим компромиссом между ценой, объемом, скоростью и надежностью будет приобретение двух накопителей.
Для установки системы и приложений желательно купить M.2-диск на 120-256 ГБ, содержащий чипы MLC или 3D TLC. На роль второго накопителя, в качестве которого еще часто используют HDD, отлично подойдет недорогой SSD на 0,5, 1, 2 ТБ, или сколько вам нужно.
SSD-накопители уже давно вышли из разряда дорогой и ненадежной экзотики и стали привычным компонентом компьютеров всех уровней, от бюджетных офисных «печатных машинок» до мощных серверов.
В этой статье мы хотим рассказать о новом этапе эволюции SSD — очередном повышении уровня записи данных в NAND: о четырехуровневых ячейках, хранящих по 4 бита, или QLC (Quad-Level Cell). Накопители, сделанные по этой технологии имеют большую плотность записи, это упрощает увеличение их объема, а стоимость оказывается меньше, чем у SSD с «традиционными» ячейками MLC и TLC.
Как и следовало ожидать, в процессе разработки потребовалось решить множество задач, связанных с переходом на новую технологию. Компании-гиганты успешно с ними справляются, а небольшие китайские фирмы ещё отстают, их накопители менее технологичны, но дешевле.
Как это происходило, появился ли новый «убийца HDD» и надо ли бежать в магазины, меняя все HDD и SSD прошлых поколений на новые — расскажем ниже.
В процессе эволюции накопителей менялся способ хранения информации, техпроцесс становился всё более тонким, увеличивалась плотность записи как в единичную ячейку, так и на чип. В контроллерах совершенствовались алгоритмы, скорость записи приближалась к скорости чтения, а затем они стали быстро расти. Сегодня равномерность распределения обращений к ячейкам памяти NAND достигла некоего оптимума, надежность хранения информации многократно выросла и почти сравнялась с этим показателем у традиционных HDD. В процессе стремительного развития технологий, SSD стали выпускаться в самых разных форм-факторах.
Сейчас на рынке представлен огромный выбор накопителей от самых разных компаний, как первого эшелона А-брендов, так и от китайских фирм, которые постарались, чтобы SSD хватило на всех
Магниторезистивная память
Кодирование информации магнитными моментами появилось в 1955 году в виде памяти на магнитных сердечниках. До середины 1970-х годов ферритовая память была основным видом памяти. Чтение бита из памяти такого типа приводило к размагничиванию кольца и потере информации. Таким образом, после чтения бита его приходилось записывать обратно.
В современных разработках магниторезистивной памяти вместо колец используется два слоя ферромагнетика, разделенные диэлектриком. Один слой является постоянным магнитом, а второй меняет направление намагниченности. Чтение бита из такой ячейки сводится к измерению сопротивления при пропускании тока: если слои намагничены в противоположные стороны, то сопротивление больше и это эквивалентно значению «1».
Ферритовая память не требует постоянного источника питания для поддержания записанной информации, однако магнитное поле ячейки может влиять на «соседа», что накладывает ограничение на уплотнение схемы.
Согласно JEDEC SSD-диски на базе Flash-памяти без питания должны сохранять информацию как минимум три месяца при температуре окружающей среды 40°С. Разработанный Intel чип на базе магниторезистивной памяти обещает сохранить данные десять лет при температуре 200°С.
Несмотря на сложность разработки, магниторезистивная память не деградирует во время использования и имеет лучшее быстродействие среди остальных видов памяти, что не позволяет списать со счетов этот вид памяти.
Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory
В 1972 году три японца: Ясуо Таруи (Yasuo Tarui), Ютака Хаяши (Yutaka Hayashi) и Кийоко Нагаи (Kiyoko Nagai) представили первое электрически стираемое постоянное запоминающее устройство (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM или E 2 PROM). Позже их научные исследования станут частью патентов на коммерческие реализации EEPROM-памяти.
Каждая ячейка EEPROM-памяти состоит из нескольких транзисторов:
- транзистор с плавающим затвором для хранения бита;
- транзистор для управления режимом чтения-записи.
Читайте также: