В каком году появились ssd диски
История создания и развития технологии SSD.
1978 год. Был анонсирован американской компанией StorageTek и впервые имел вид, основанный на RAM-памяти - полупроводниковый накопитель.
1982 год. Американская же компания Cray (один из лидеров рынка производителей суперкомпьютеров, штаб-квартира находится в городе Сиэтл в американском штате Вашингтон) представила мировой общественности полупроводниковый накопитель на RAM-памяти для суперкомпьютеров собственного производства, под торговой маркой Cray1, со скоростью 100 Мб/сек и Cray X-MP со скоростью 320 Мб/сек, в объемами, составившими 8, 16 или даже 32 x 106 x64-разрядных слов.
1995 год. Израильской компанией M-Systems впервые в мире представлен полупроводниковый накопитель на flash-памяти, который изначально создавался и был ориентирован на применение в военной и аэрокосмической технике, где непредставимо высокая (по тем временам) стоимость 1 гигабайта памяти была несколько компенсирована не только чрезвычайной надежностью, но и уникальными свойствами, позволявшими работу в крайне неблагоприятных условиях (экстремальные температуры, перегрузки, вибрации и т. п.).
2008 год. На одной из крупнейших выставок мирового уровня в Сеуле южнокорейской компанией Mtron Storage Technology был продемонстрирован SSD накопитель со скоростью записи 240 МБ/сек и скоростью чтения 260 МБ/сек. Правда объем был весьма скромным, на уровне 128 ГБ.
2009 год. В серийном производстве появилась линейка твердотельных накопителей Master Drive RX, выполненных в 2.5” форм-факторе. Она включает различные устройства емкостью от 128 ГБ до 512 ГБ (она была выпущена компанией Super Talent Technology). Регламентированная скорость чтения составила 230 МБ/сек, а записи – 160 МБ/сек.
В конце 2009 года компанией OCZ Technology закончила разработку SSD-накопителя Колосс (от англ. Colossus) в форм-факторе 3.5” и емкостью 1 ТБ. В соответствии с различными тестами скорость последовательного чтения составила от 223 МБ/сек до 261 МБ/сек, причем показатель для записи оказался таким же: от 223 МБ/сек до 261 МБ/сек.
По различным оценкам специалистов рынку твердотельных накопителей предполагают рост от 7 до 25 процентов в ближайшие годы, а к 2014 году его объем прогнозируемо составит свыше 7 млрд. долларов США.
Согласно интервью одного из представителей компании Kingston Technology, стоимость хранения одного ГБ данных может опуститься до одного доллара ориентировочно в третьем квартале 2012 года.
В октябре 2016 года мы представили сразу две линейки 2.5-дюймовых твердотельных накопителей: WD Blue и Green SSD. В любой другой индустрии подобный шаг мог показаться достаточно рискованным даже для такой корпорации, как Western Digital. Действительно, продвижение новинки в нише, где уже давно определены сферы влияния, в большинстве случаев оборачивается крупными финансовыми затратами и редко приводит к положительным результатам. Однако рынок SSD имеет свою специфику, открывая широчайшие возможности для конкурентной борьбы, что обусловлено как технологическими особенностями, так и рядом исторических предпосылок. Именно об истории возникновения твердотельных накопителей мы и поговорим сегодня.
Изобретение flash-памяти — новая эпоха в развитии SSD
Все перечисленные выше устройства были нерентабельны вследствие высокой стоимости, ненадежны из-за потребности в постоянном источнике питания и излишне громоздки в силу конструктивных особенностей. Иными словами, твердотельные накопители прошлого оказались лишены всех преимуществ современных моделей, что и объясняет их фиаско. Для создания же действительно революционного решения требовалась принципиально новая технология, которая появилась лишь в середине 80-х с изобретением флэш-памяти.
Полупроводниковые запоминающие устройства существовали и ранее: первый EPROM был создан Довом Фроманом еще в 1971 году, однако подобные чипы не годились на роль даже съемного накопителя. Все дело в том, что процедура стирания информации осуществлялась посредством прямого облучения матрицы транзисторов ультрафиолетовой ртутной лампой, для чего в корпусе даже присутствовало небольшое окошко из кварцевого стекла, располагавшееся непосредственно над чипом. Более совершенные EEPROM представляли собой уже электрически стираемые ПЗУ, однако для реализации этой возможности в стандартную ячейку пришлось внедрить второй транзистор, управляющий режимами записи и стирания. Из-за этого площадь разводки компонентов матрицы (а значит, и самого чипа) заметно увеличивалась, и в результате приходилось жертвовать компактностью устройств.
Поэтому основные научные изыскания велись в области создания микросхем с более плотным размещением цепей стирания. И таковые увенчались успехом в 1984 году, когда Фудзио Масуока, работавший в корпорации Toshiba, представил прототип энергонезависимой флэш-памяти на международной конференции International Electron Devices Meeting, проходившей в стенах Института инженеров электротехники и электроники (IEEE).
Фудзио Масуока, изобретатель флэш-памяти
Само название придумал его коллега, Седзи Ариидзуми, сравнивший процесс стирания данных со вспышкой молнии. В отличие от EEPROM, флэш-память была основана на МОП-транзисторах с дополнительным плавающим затвором, расположенным между p-слоем и управляющим затвором, что позволило создавать действительно миниатюрные чипы.
Первыми коммерческими образцами флэш-памяти стали микросхемы Intel, выполненные по технологии NOR (Not-Or), производство которых было запущено в 1988 году. Матрицы данного типа представляли собой двумерный массив, в котором каждая ячейка памяти находилась на пересечении строки и столбца (соответствующие проводники подключались к разным затворам транзистора, а исток — к общей подложке). Однако уже в 1989 году Toshiba представила флеш-память NAND. Массив имел аналогичную структуру, но в каждом его узле вместо одной ячейки теперь располагалось несколько последовательно включенных. Кроме того, в каждой линии использовалось два МОП-транзистора — управляющий, расположенный между разрядной линией и столбцом ячеек, и транзистор заземления.
Более высокая плотность компоновки помогла увеличить емкость чипа, но при этом усложнился и алгоритм чтения/записи, из-за чего пострадала скорость обмена информацией. В связи с этим новая архитектура не смогла полностью вытеснить NOR, нашедшую применение в создании встраиваемых ПЗУ, тогда как NAND использовали при изготовлении портативных накопителей (USB-флэшек, SD-карт). К слову, производство последних стало возможным лишь в 2000 году, когда стоимость флэш-памяти достаточно снизилась и подобные устройства могли окупиться, а первой «ласточкой» стала модель DiskOnKey от IBM, объем которой составлял всего 8 мегабайт. Немного, однако не будем забывать, что миниатюрный девайс размером с брелок успешно заменял собой восемь 3.5-дюймовых дискет.
Флэшка IBM DiskOnKey
Поскольку выпуск флэш-чипов является технологически сложным и наукоемким процессом, существует лишь несколько компаний, специализирующихся на их производстве, в числе которых следует выделить SanDisk. На ее счету свыше 200 патентов, лицензии на использование которых впоследствии приобрели такие известные игроки, как Intel, Hitachi, Samsung и Sony. Среди основных достижений предприятия стоит упомянуть внедрение стандарта CompactFlash (1994 год), разработку MultiMedia Card (1997 год) и созданный вместе с Toshiba в 2000 году формат Secure Digital Memory Card (SD). Не удивительно, что когда Toshiba взяла курс на рынок США, именно SanDisk был выбран в качестве стратегического партнера для основания совместного предприятия FlashVision LLC (начало работу в 2001 году) на базе производственных мощностей «дочки» японского гиганта Dominion Semiconductor. В октябре 2015 года SanDisk была приобретена Western Digital. Объединив усилия с одним из родоначальников технологии флэш и получив доступ ко всем ключевым наработкам и инновациям, сегодня мы имеем возможность создавать по-настоящему современные, конкурентоспособные и надежные решения потребительского класса.
Различия между современными SSD и HDD
На физическом уровне разница между SSD и HDD легко заметна: в SSD отсутствуют механические элементы, а информация хранится в ячейках памяти. Отсутствие подвижных элементов приводит к быстрому доступу к данным в любом участке памяти, однако, существует ограничение на количество циклов перезаписи. Из-за ограниченного количества циклов перезаписи каждой ячейки памяти возникает необходимость в механизме балансировки — выравнивании изношенности ячеек путем переноса данных между ячейками. Эту работу выполняет контроллер диска.
Так появилась команда TRIM (англ. — подрезать), с помощью которой ОС уведомляет контроллер SSD-диска об освобождении определенной области памяти. Команда TRIM необратимо стирает данные с диска. Не все операционные системы знают о необходимости отправлять эту команду твердотельным накопителям, а аппаратные RAID-контроллеры в режиме дисковых массивов никогда не отправляют TRIM дискам.
Погружение в историю
Разработка первого жесткого диска велась с 1952 года компанией IBM. 14 сентября 1956 года был анонсирован итоговый результат разработок — IBM 350 Model 1. Накопитель вмещал 3.75 мебибайт данных при весьма нескромных габаритах: 172 сантиметра в высоту, 152 сантиметра в длину и 74 сантиметра в ширину. Внутри располагались 50 покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм (24 дюйма). Среднее время поиска данных на диске занимало ~600 мс.
Время шло, и IBM уверенно улучшал технологию. В 1961 году представлен IBM 1301 вместимостью 18.75 мегабайт со считывающими головками на каждой пластине. В IBM 1311 появились съемные дисковые картриджи, а с 1970 года в IBM 3330 была внедрена система обнаружения и коррекции ошибок. Спустя три года появился IBM 3340 известный под названием «Winchester».
Винчестер (от англ. Winchester rifle) — общее название для винтовок и ружей, производившихся Winchester Repeating Arms Company в США во второй половине XIX века. Это были одни из первых многозарядных ружей, получивших огромную популярность среди покупателей. Своим названием они были обязаны основателю компании — Оливеру Фишеру Винчестеру (Oliver Fisher Winchester).
IBM 3340 состоял из двух шпинделей по 30 МиБ каждый, из-за чего инженеры называли этот диск «30-30». Это название напоминало о винтовке Winchester Model 1894 с патронами .30-30 Winchester, из-за чего Кеннет Хотон (Kenneth Haughton), руководящий разработкой IBM 3340, сказал «Если это 30-30, то это должен быть Винчестер» («If it's a 30-30, then it must be a Winchester.»). С тех пор «винчестером» называют не только винтовки, но и жесткие диски.
Спустя еще три года вышел IBM 3350 «Madrid» с 14-ти дюймовыми пластинами и временем доступа 25 мс.
Первый SSD-накопитель создан компанией Dataram в 1976 году. Накопитель Dataram BulkCore состоял из шасси с восьмью планками RAM-памяти объемом 256 КиБ каждая. В сравнении с первым жестким диском, BulkCore был крошечным: 50,8 см в длину, 48,26 см в ширину и 40 см в высоту. При этом время доступа к данным в этой модели составило всего 750 нс, что 30000 раз быстрее, чем у самого современного на тот момент HDD-диска.
В 1978 году основана компания Shugart Technology, которая спустя год меняет свое название на Seagate Technology во избежание конфликтов с Shugart Associates. Через два года работы Seagate на свет появляется ST-506 — первый жесткий диск для персональных компьютеров в форм-факторе 5.25 дюйма и вместимостью 5 МиБ.
Помимо появления Shugart Technology, 1978 год запомнился выпуском первого Enterprise SSD от компании StorageTek. StorageTek STC 4305 вмещал 45 МиБ данных. Этот SSD разрабатывался как замена IBM 2305, имел схожие размеры и стоил невероятные 400 000$.
В 1982 году SSD приходит на рынок персональных компьютеров. Компания Axlon специально для Apple II разрабатывает SSD-диск на RAM-чипах под названием RAMDISK 320. Поскольку накопитель создавался на базе энергозависимой памяти, в комплекте поставлялся аккумулятор для поддержания сохранности информации. Емкости аккумулятора хватало на 3 часа автономной работы в случае потери электропитания.
Спустя год компания Rodime выпустит первый жесткий диск RO352 на 10 МиБ в привычном для современного пользователя форм-факторе 3.5 дюйма. Несмотря на то, что это первый коммерческий диск в таком форм-факторе, Rodime по сути не сделала ничего инновационного.
Первым продуктом в этом форм-факторе считается флоппи-дисковод, представленный компаниями Tandon и Shugart Associates. Более того, компании Seagate и MiniScribe договорились о принятии промышленного стандарта 3.5 дюйма, «оставив за бортом» Rodime, которую ждала судьба «патентного тролля» и полный выход из индустрии производства накопителей.
В 1980 году, инженер Toshiba, профессор Фудзио Масуока, зарегистрировал патент на новый вид памяти, названный Flash-памятью типа NOR. Разработка заняла 4 года.
NOR-память представляет собой классическую 2D матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке (аналог памяти на магнитных сердечниках).
В 1984 профессор Масуока рассказал о своем изобретении на конференции International Electronics Developers Meeting, где компания Intel быстро оценила перспективность данной разработки. Компания Toshiba, в которой работал профессор Масуока, не считала Flash-память чем-то особенным, а потому удовлетворила просьбу Intel сделать несколько опытных образцов для изучения.
Проявленный компанией Intel интерес к разработке Фудзио, подтолкнул Toshiba выделить пять инженеров в помощь профессору на решение проблемы коммерциализации изобретения. Intel, в свою очередь, бросил три сотни сотрудников на создание собственного варианта Flash-памяти.
Пока Intel и Toshiba вели разработки в области Flash-накопителей, в 1986 произошло два важных события. Во-первых, официально стандартизирован SCSI — набор соглашений для взаимодействия между компьютерами и периферийными устройствами. Во-вторых, разработан интерфейс AT Attachment (ATA), известный под брендовым названием Integrated Drive Electronics (IDE), благодаря которому контроллер диска переместился внутрь диска.
Три года Фудзио Маусока трудился над улучшением технологии Flash-памяти и к 1987 году разработал NAND-память.
NAND-память — та же самая NOR-память, организованная в трехмерный массив. Основным отличием стало то, что алгоритм доступа к каждой ячейке стал сложнее, площадь ячеек стала меньше, а общая емкость значительно увеличилась.
Годом позже компания Intel разработала собственную Flash-память типа NOR, а компания Digipro сделала на ней накопитель под названием Flashdisk. Первая версия Flashdisk в максимальной комплектации вмещала 16 МиБ данных и стоила менее 500$
В конце 80-х и начале 90-х производители жестких дисков соревновались в уменьшении размеров дисков. В 1989 компания PrairieTek выпускает диск PrairieTek 220 на 20 МиБ в форм-факторе 2.5 дюйма. Спустя два года Integral Peripherals создает диск Integral Peripherals 1820 «Mustang» с тем же объемом, но уже 1.8 дюйма. Годом позже Hewlett-Packard сократила размер диска до 1.3 дюйма.
Компания Seagate хранила верность дискам в форм-факторе 3.5 дюйма и делала ставку на увеличение скорости вращения, выпустив в 1992 свою знаменитую модель Barracuda, первый жесткий диск со скоростью вращения шпинделя 7200 оборотов в минуту. Но на этом Seagate не собиралась останавливаться. В 1996 диски линейки Seagate Cheetah достигли скорости вращения 10000 оборотов в минуту, а через четыре года модификация Х15 раскручивалась аж до 15000 оборотов в минуту.
В 2000 году интерфейс ATA стал называться PATA. Виной тому стало появление интерфейса Serial ATA (SATA) с более компактными проводами, поддержкой «горячей замены» и повышенной скоростью передачи данных. Seagate и здесь взяла первенство, выпустив первый жесткий диск с таким интерфейсом в 2002.
Производство Flash-памяти изначально было очень дорогим, но в начале 2000-х стоимость резко снизилась. Этим воспользовалась компания Transcend, в 2003 выпустившая SSD-диски объемом от 16 до 512 МиБ. Через три года к массовому производству подключились компании Samsung и SanDisk. В этом же году IBM продает свое дисковое подразделение компании Hitachi.
Твердотельные накопители набирали обороты и возникла очевидная проблема: интерфейс SATA был медленнее, чем сами SSD-накопители. Для решения этой проблемы рабочая группа NVM Express Workgroup начала разработку NVMe — спецификацию на протоколы доступа к SSD напрямую по шине PCIe, минуя «посредника» в виде SATA-контроллера. Это бы позволило получать доступ к данным со скоростью шины PCIe. Через два года первая версия спецификации была готова, а еще через год появился первый NVMe-накопитель.
Продолжение следует…
В следующих частях мы расскажем про форм-факторы, интерфейсы подключений и о внутренней организации твердотельных накопителей.
В нашей лаборатории Selectel Lab Вы можете самостоятельно протестировать современные HDD и SSD диски и сделать собственные выводы.
Всем привет! Это заключительная часть нашего материала об эволюции носителей информации. И сегодня речь пойдет о флеш-памяти и твердотельных накопителях — об их прошлом, настоящем и будущем.
Флеш-память была создана задолго до появления первого флеш-накопителя. Отцом флеш-памяти считается инженер компании Toshiba Фудзио Масуока, чье изобретение было представлено в 1984 году на конференции IEEE в Сан-Франциско. Кстати, само название «flash» придумал коллега Масуоки – Сёдзи Ариидзуми. Процесс удаления данных из такой памяти напомнил ему фотовспышку (от англ. flash – вспышка).
В основе работы флеш-памяти лежит изменение и регистрация электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Существует несколько типов флеш-памяти. Первым коммерческим продуктом стала флэш-память типа NOR, которую разработала компания Intel. Это случилось в 1988 году.
В конструкции NOR-флеш используется классическая двухмерная матрица проводников, в которой на пересечении строк и столбцов располагается одна ячейка. Преимущество такого дизайна состоит в том, что он позволяет моментально читать состояние конкретной ячейки, подавая положительное напряжение на соответствующую строку и столбец.
В 1989 году компания Toshiba представила флеш-память типа NAND. Главным отличием NAND-флеш от NOR-чипов заключалось в том, что в конструкции NAND использовался трехмерный массив, а не двухмерная матрица. Другими словами, если в NOR на пересечении строк и столбцов располагалась только одна ячейка, то в NAND их могло быть несколько.
Естественно, так же легко получить доступ к конкретной ячейке, как в NOR, теперь было невозможно, и алгоритм чтения информации значительно усложнился. Тем не менее такой подход позволил создать более вместительные чипы памяти. В современных флешках и твердотельных накопителях используется именно NAND-память. Ну а NOR-чипы нашли применение в тех областях, где ёмкость не играет ключевую роль – например, в автомобильной электронике.
Долгое время элементарная ячейка могла хранить лишь один бит информации. Такая ячейка называется одноуровневой (SLC, single-level cell). Затем появились многоуровневые ячейки с двухбитной разрядностью (MLC, multi-level cell). Наконец, были разработаны трехуровневые ячейки памяти (TLC, triple-level cell). Такие ячейки выгодно отличаются от MLC своей дешевизной. Так, стоимость 1 Гбайт TLC-памяти в 2015 году составила всего $0,4. Обратной стороной памяти с трехуровневыми ячейками является её низкая скорость записи и меньший в сравнении с MLC ресурс.
Однако вернемся к твердотельным накопителям. Как это ни странно, но первый SSD-девайс был представлен в 1976 году — на 8 лет раньше, чем флеш-память. Он был разработан компанией Dataram и носил название Bulk Core.
Многие ошибочно полагают, что в основе любого SSD-накопителя лежит флеш-память, однако это не так. Свое название SSD (Solid State Drive) они получили потому, что в их конструкции не было подвижных элементов.
Конструкция Bulk Core состояла из специального шасси размером 19x15,75 дюймов и расположенных на нем 8 планок RAM-памяти объемом 256 Кбайт каждая. Таким образом, емкость устройства составляла 2 Мбайт. Приобрести Bulk Core можно было за $9700.
Спустя 2 года с момента появления Bulk Core последовал выпуск устройства под названием STC 4305. Накопитель был разработан компанией StorageTek. STC 4305 был размером с целую комнату и мог хранить 45 Мбайт информации. Пропускная способность составляла 1,5 Мбайт/с, что было примерно в 7 раз выше аналогичного показателя жесткого диска IBM 2305. Но и цена инновационного SSD-накопителя была соответствующей: STC 4305 оценивался в $400 тыс.
В 1982 году компания Axlon представила линейку твердотельных накопителей, предназначенных для использования с компьютерами Apple. Устройства получили название Apple II RAMDisk. Из названия становится ясно, что эти накопители использовали RAM-память. Их емкость была не столь внушительна: самой популярной стала версия с 320 Кбайт памяти. Кстати, чтобы предотвратить потерю информации, в комплекте с накопителем поставлялась и подзаряжаемая батарея.
В 1988 году компания Intel представила первые коммерческие чипы флэш-памяти типа NOR. Именно они использовались в первом SSD-накопителе с флеш-памятью – Flashdisk, который был разработан компанией Digipro и выпущен в конце 1988 года. Flashdisk предназначался для использования в компьютерах IBM PC и мог хранить до 16 Мбайт данных. На тот момент стоимость накопителя составляла $5000.
Годом позднее израильская компания M-Systems также представила SSD-накопитель на основе NOR флеш-памяти, но это был только опытный образец. Долгое время израильские инженеры дорабатывали устройство, и только в 1995 году компания сумела выпустить коммерческий SSD-накопитель. Это была модель FFD-350 (Fast Flash Disk), выполненная в привычном для нас форм-факторе 3,5". Максимальный объем накопителя составлял 896 Мбайт, хотя выпускались даже 16-мегабайтные версии. Работал FFD-350 через интерфейс SCSI. Стоимость такого устройства достигала нескольких десятков тысяч долларов, поэтому FFD-350 нашел применение только в авиационной и военной отраслях. На протяжении следующего десятилетия M-Systems расширяла линейку устройств FFD, выпуская новые накопители с улучшенными характеристиками.
Долгое время флеш-память была достаточно дорогим удовольствием. Однако в начале 2000-х годов стоимость её производства значительно упала. Этим воспользовалась компания Transcend, которая в 2003 году выпустила модули флеш-памяти, подключаемые через интерфейс Parallel ATA. Емкость такого накопителя составляла от 16 до 512 Мбайт. Цены на эти устройства начинались от отметки $50, что сделало модели Transcend доступными для обычных пользователей.
Начало бурному росту рынка твердотельных накопителей положила компания Samsung, выпустив в 2006 году 2,5" накопитель емкостью 32 Гбайт и стоимостью $699. Её примеру последовала и компания SanDisk, представившая 32-гигабайтный 2,5" накопитель с интерфейсом SATA.
Кроме этого, в 2006-2007 годах наконец-то удалось решить проблему малого количества перезаписей флеш-памяти. Это позволило рассматривать твердотельные накопители как полноценную альтернативу жестким дискам.
В последующие годы рынок SSD-накопителей стремительно развивался. Выпуском устройств занялось огромное количество производителей. Так, компания OCZ впервые показала твердотельные накопители собственного производства на выставке CES в начале 2008 года.
Стремительно росли и характеристики накопителей: они становились все более вместительными и быстрыми. В связи с этим многие производители задумались о переходе на более быстрый интерфейс. Так появились первые SSD-накопители с интерфейсом PCI Express, в частности, Fusion-io ioDrive Duo.
На сегодняшний день вопрос об интерфейсе стоит особенно остро. Главная проблема интерфейса SATA состоит в том, что производительность современных твердотельных накопителей стала настолько высока, что пропускной способности этой шины (а она составляет 600 Мбайт/с) попросту не хватает для того, чтобы полностью раскрыть потенциал SSD-девайсов. Для сравнения: только две линии PCI Express 3.0 обеспечивают эффективную пропускную способность 1560 Мбайт/с, что почти в 3 раза выше аналогичного показателя SATA.
Вместе со сменой интерфейса планируется и переход на новый протокол NVMe, который должен заменить устаревший AHCI. Использование NVMe позволит снизить латентности и обеспечит более быструю реакцию накопителя на команды, поскольку протокол изначально «заточен» под многопоточную работу с данными.
Многие ожидали, что именно в 2015 году состоится массовый переход от интерфейса SATA к PCI Express, однако этого не произошло. Внедрению новых технологий производители предпочли ценовую войну, результатом которой стало достижение рекордно низкой стоимости 1 Гбайт флеш-памяти — $0,4.
2015-й год также ознаменовал собой начало перехода на технологию трехмерной памяти 3D V-NAND (Vertical NAND). Её суть заключается в том, что ячейки памяти располагаются не только планарно, но и слоями. Это позволяет увеличить емкость, не изменяя при этом индивидуальных размеров ячеек памяти. Интересен тот факт, что производство флеш-памяти 3D V-NAND не требует использования новейших технологических процессов. Например, компания Samsung использует в производстве 3D V-NAND 40 нм техпроцесс. Объем чипов Samsung достигает 256 Гбит, при этом ячейки расположены в 48 слоев.
К сожалению, на сегодняшний день Samsung — единственная компания, имеющая в своем арсенале твердотельные накопители, использующие данную технологию. Тем не менее, в наступившем году у южнокорейской компании обязательно появятся конкуренты. О своих планах по выпуску 3D V-NAND памяти объявили альянс Micron и Intel, компании SK Hynix и Toshiba. Причем в производстве многослойной TLC флеш-памяти Toshiba будет использовать собственную технологию 3D BiCS NAND (Bit Cost Scalable), которая позволит сделать чипы меньше и дешевле конкурентов.
Кроме этого, не стоит забывать и о том, что в 2016 году должна увидеть свет новая технология 3D XPoint, разработанная все тем же альянсом Micron Intel. Информации о технологии пока что не так много.
По словам разработчиков, в основе технологии будет лежать изменение сопротивления материала, располагающегося между проводниками, что обеспечит памяти сверхвысокую скорость чтения и записи. Помимо всего прочего, они обещают, что память 3D XPoint будет в 1000 раз устойчивее к износу, а также при использовании PCI Express и протокола NVMe будет обладать в 10 раз меньшей латентностью, чем флеш-память NAND. Устройства с памятью 3D XPoint получат название Intel Optane и будут использовать в центрах обработки данных.
На этом мы завершаем наш цикл статей об эволюции носителей информации. Но впереди будет еще много интересного! Следите за обновлениями.
Изучение истории дисков — начало пути к пониманию принципов работы твердотельных накопителей. Первая часть нашего цикла статей «Введение в SSD» проведет экскурс в историю и позволит наглядно понять разницу между SSD и его ближайшим конкурентом — HDD.
Несмотря на обилие различных устройств для хранения информации, популярность HDD и SSD в наше время неоспорима. Разница между этими двумя видами накопителей для обывателя очевидна: SSD дороже и быстрее, а HDD дешевле и вместительнее.
Отдельное внимание следует обратить на единицу измерения вместимости накопителей: исторически сложилось, что десятичные приставки, такие как кило- и мега-, в контексте информационных технологий подразумевают как десятая и двадцатая степень двойки. Для исключения путаницы были введены двоичные приставки киби-, меби- и другие. Разница этих приставок становится заметной с увеличением объема: покупая диск на 240 гигабайт, вы можете сохранить на нём 223.5 гибибайта информации.
Флэш-SSD для всех и каждого
Впрочем, вернемся к предмету обсуждения — SSD. Предок современных твердотельных накопителей на основе флэш-памяти был выпущен компанией Digipro еще в 1988 году: он нес на борту 16 мегабайт и стоил 5000 долларов. Годом позже M-Systems представила концепт устройства, уже более-менее напоминающего современные. Оно имело формат 3.5 дюйма и могло вмещать от 16 до 896 мегабайт информации. Серийная модель вышла лишь в 1995 году и носила название FFD-350 (Fast Flash Disk). Из-за высокой цены, достигающей нескольких десятков тысяч долларов, она нашла применение в таких отраслях, как ВПК и авиационная промышленность, для розницы рекордсмен по скорости и объему оказался непригоден.
Digipro Flashdisk — первый SSD на основе NAND
Первопроходцем потребительского сегмента можно назвать выпущенный в 2003 году Transcend IDE Flash Module, подключавшийся через 44-пиновый интерфейс Parallel ATA и имевший объем 128 или 512 мегабайт. Продукт позиционировался, как быстрый и отказоустойчивый накопитель для работы в экстремальных условиях. Низкопрофильный модуль возвышался над разъемом всего на 2 сантиметра, благодаря чему мог подключаться напрямую, без использования шлейфа.
Transcend IDE Flash Module открывает розничный рынок SSD
А первый SATA SSD появился всего через год: Adtron Corporation представила 2.5-дюймовый накопитель Flashpack, однако его рыночная стоимость, в зависимости от модификации, достигала 11 200 долларов. Переломить ситуацию с точки зрения ценовой политики удалось Samsung, предложившей покупателям устройство с незамысловатым названием Flash SSD объемом 32 гигабайта «всего» за 700 долларов! И пускай его все еще сложно было назвать по-настоящему массовым, энтузиастам, готовым раскошелиться за прирост производительности топового ПК, такой вариант пришелся по вкусу.
Adtron Flashpack — прообраз современных SSD
Подобно NOR и NAND, каждое из перечисленных решений заняло собственную нишу. Ведь если SLC обеспечивает максимальную скорость доступа к сохраненной информации и является чрезвычайно отказоустойчивой, то TLC характеризуют бюджетность и более высокая плотностью хранения. В минусы последней можно записать значительно меньший рабочий ресурс. Как следствие, SLC получила распространение в корпоративном сегменте, TLC стала безусловным монополистом в рознице, а продукция на основе MLC ориентирована, в первую очередь, на тех, кто ценит надежность и при этом хочет выжать все возможное из своей машины.
Дальнейшее развитие SSD осуществлялось уже за счет совершенствования интерфейсов микросхем. На момент, когда встал вопрос о введении единых стандартов, консорциум технологических компаний, куда вошли Intel, Sony, SanDisk, Micron Technology, Numonyx, Phison Electronics Corporation, SK Hynix, Spansion и STMicroelectronics разработал спецификацию Open NAND Flash Interface (ONFI), первая версия которого была представлена весной 2006 года. Пропускная способность ONFI 1.0 составляла всего 50 МБ/с и была не в состоянии раскрыть весь потенциал даже SATA II — только его 4-я ревизия, выпущенная в 2014 году, смогла перешагнуть планку, заданную SATA III, продемонстрировав скорость передачи данных в 800 МБ/с и обеспечив заметный прирост производительности.
Не менее важную роль сыграло совершенствование алгоритмов чтения/записи и кэширования. Например, создавая накопители WD Blue SSD, мы сосредоточились на повышении производительности путем внедрения технологии nCache 2.0, использующей часть доступной памяти в SLC-режиме и форсирующей произвольное чтение в реальных сценариях нагрузки.
WD Blue SSD 1 ТБ — флагман линейки первого поколения твердотельных накопителей от Western Digital
Прямое копирование данных из SLC-буфера в TLC, реализованное на уровне чипов в обход контроллера, позволило использовать более экономичную четырехканальную модель Marvell 88SS1074 без потерь в производительности. Кстати, последняя поддерживает коррекцию ошибок на основе LDPC-кодов, благодаря чему WD Blue SSD способен похвастаться ресурсом перезаписи до 400 TBW, что более чем на 50% выше по сравнению с другими решениями в данной ценовой категории. Таким образом, внедрив перечисленные инновации, нам удалось создать по-настоящему конкурентный продукт на основе TLC-памяти, сочетающий в себе высокую скорость и надежность при сравнительно низкой цене.
Хотя все перечисленное позволило улучшить быстродействие и отказоустойчивость накопителей, потенциал двумерной NAND оказался ограничен. Когда возможности 15-нанометрового технологического процесса были практически исчерпаны, а дальнейшее совершенствование программной части перестало обеспечивать сколь-либо заметного прироста ключевых показателей, на смену планарным микросхемам пришла флэш-память 3D NAND. Ее архитектура характеризуется вертикальной компоновкой: проводящие и изолирующие слои напыляются на кристалл послойно. В полученной «слойке» формируются каналы, на стенки которых наносятся структуры изоляторов и плавающих затворов — в результате мы получаем столбцы кольцеобразных полевых транзисторов. Такой подход позволяет в значительной степени увеличить плотность чипов, а значит, повысить и емкость памяти.
Схема строения 3D NAND
Само по себе изобретение нельзя назвать ноу-хау — например, Samsung выпускает трехмерные чипы еще с 2013 года. Но, как известно, история движется по спирали: подобно тому, как флэшки появились через десяток лет после создания NAND из-за дороговизны последней, первые 3D-чипы оказались также слишком дороги, а значит, непригодны для потребительского рынка. Именно поэтому основные усилия альянса Toshiba и SanDisk, уже являвшегося на тот момент подразделением Western Digital, были направлены на разработку принципиально иного подхода, который позволил бы оптимизировать производство, сделав чипы более доступными.
Изыскания увенчались успехом — результатом кропотливой работы инженеров стало появление BiCS (Bit Cost Scalable) 3D NAND. По сравнению с решением от Samsung, поддерживающим лишь 48 слоев в каждом чипе, технология BiCS позволяет увеличить плотность упаковки в 1.4 раза и повысить количество слоев до 64. Изменения претерпела и архитектура: место линейных строк заняли U-образные. Главная их особенность заключается в том, что линии истока вместе с переключающими транзисторами расположены в верхней части кристалла, что практически полностью исключает появление ошибок при операциях чтения/записи вследствие высокотемпературного воздействия.
Архитектура BiCS
Что же это означает на практике? Поскольку BiCS 3D NAND создается по 40-нм техпроцессу, причем потребность в применении фотолитографии в глубоком ультрафиолете полностью отсутствует, отпадает и необходимость модернизации существующих производственных мощностей. С учетом большей плотности хранения данных, себестоимость производства в сравнении с планарными микросхемами практически не меняется, позволяя создавать накопители повышенной емкости. Кроме того, новый дизайн повышает энергоэффективность чипов на 25% и увеличивает их надежность за счет исключения вероятности термического повреждения.
Все вышеперечисленное сделало возможным создание твердотельных накопителей WD SSD Blue следующего поколения, в основу которых легли 64-слойные чипы. По сравнению с предшественниками, диски отличаются высоким быстродействием (скорость чтения достигает 560 МБ/с, записи — 540 МБ/с), временем наработки на отказ до 1.75 миллионов часов и ресурсом перезаписи вплоть до 500 TBW. Иными словами, даже при нагрузке до 80 гигабайт в день накопители исправно проработают в течение 7 лет, что является абсолютным рекордом в средней ценовой категории. Кроме того, благодаря увеличению плотности записи, обновленная линейка пополнилась двухтерабайтным флагманом — впечатляющий объем и превосходные характеристики делают данную модель идеальным решением для профессионалов и энтузиастов.
Вместо заключения
Уже сейчас можно утверждать, что удешевление 3D NAND сделает ее использование повсеместным. Дальнейшая гонка вооружений сместится в сторону увеличения плотности трехмерных кристаллов и разработки оригинальных архитектурных решений, что позволит создавать по-настоящему доступные и экономичные продукты. Вполне возможно, что в таких сегментах, как производство лэптопов, классические HDD окажутся полностью вытеснены с рынка твердотельными накопителями. Тенденция прослеживается уже сейчас: согласно прогнозам DRAMeXchange (подразделение аналитического агентства TrendForce), уже в этом году доля ноутбуков, снабженных исключительно SSD, превысит 56% от всех проданных устройств, а в дальнейшем эта цифра будет лишь увеличиваться. Впрочем, перспективы развития отрасли — тема отдельного материала, который мы обязательно подготовим для читателей Хабра. Следите за обновлениями блога!
Изучение истории дисков — начало пути к пониманию принципов работы твердотельных накопителей. Первая часть нашего цикла статей «Введение в SSD» проведет экскурс в историю и позволит наглядно понять разницу между SSD и его ближайшим конкурентом — HDD.
Несмотря на обилие различных устройств для хранения информации, популярность HDD и SSD в наше время неоспорима. Разница между этими двумя видами накопителей для обывателя очевидна: SSD дороже и быстрее, а HDD дешевле и вместительнее.
Отдельное внимание следует обратить на единицу измерения вместимости накопителей: исторически сложилось, что десятичные приставки, такие как кило- и мега-, в контексте информационных технологий подразумевают как десятая и двадцатая степень двойки. Для исключения путаницы были введены двоичные приставки киби-, меби- и другие. Разница этих приставок становится заметной с увеличением объема: покупая диск на 240 гигабайт, вы можете сохранить на нём 223.5 гибибайта информации.
Продолжение следует…
В следующих частях мы расскажем про форм-факторы, интерфейсы подключений и о внутренней организации твердотельных накопителей.
В нашей лаборатории Selectel Lab Вы можете самостоятельно протестировать современные HDD и SSD диски и сделать собственные выводы.
А как Вы считаете, SSD сможет вытеснить HDD? Ждем вас в комментариях.
Пионеры SSD — быстро, дорого, не для всех
Строго говоря, SSD появились задолго до изобретения флэш-памяти. Ведь что такое, по сути, Solid State Drive? Это накопитель информации, который не содержит каких-либо механических компонентов. Таким образом, самым первым в мире SSD можно назвать творение корпорации Dataram с гордым названием Bulk Core, представленное в 1976 году. Стальное шасси габаритами 19 на 15.75 дюймов содержало 8 планок энергозависимой RAM-памяти, каждая из которых имела объем 256 килобайт. Девайс размером с хороший UPS (и, благодаря наличию резервных аккумуляторов, соответствующим весом) стоил на старте 9700 долларов США. Устройства нашли применение в промышленности и наукоемких отраслях, однако из-за дороговизны и ненадежности (все же риск потери данных был чрезвычайно велик) так и не стали массовыми.
Dataram Bulk Core — самый первый SSD
Тем не менее всего через 6 лет компания Axlon предприняла попытку завоевать уже потребительский сегмент, выйдя на рынок с внешним накопителем RAM Disk, разработанным специально для выпущенных в 1982 году персональных компьютеров Apple II. Новинка несла на борту 320 килобайт RAM, имела размеры, сопоставимые с современными компактными NAS и оснащалась аккумуляторными батареями, обеспечивающими 3 часа автономной работы на случай перебоев энергоснабжения.
Рекламная брошюра Axlon RAM Disk призывает «прокачать» ваш Apple II
О том, насколько популярным стало такое решение можно догадаться, взглянув на цены: на старте продаж прибор стоил 1400 долларов, при этом сам Apple II в модификации с 4 килобайтами ОЗУ на тот момент обошелся бы вам в 1298 долларов. Пускай встроенной постоянной памяти данный ПК имел также 4 килобайта, возможность подключения кассетного магнитофона, а впоследствии и 5.25-дюймовых дисководов с лихвой компенсировали этот недостаток. В то же время, непомерный ценник и риск утраты всей информации делали RAM Disk малопривлекательным для конечного потребителя, тем более что большинству пользователей дополнительная скорость чтения/записи оказалась попросту не нужна.
Различия между современными SSD и HDD
На физическом уровне разница между SSD и HDD легко заметна: в SSD отсутствуют механические элементы, а информация хранится в ячейках памяти. Отсутствие подвижных элементов приводит к быстрому доступу к данным в любом участке памяти, однако, существует ограничение на количество циклов перезаписи. Из-за ограниченного количества циклов перезаписи каждой ячейки памяти возникает необходимость в механизме балансировки — выравнивании изношенности ячеек путем переноса данных между ячейками. Эту работу выполняет контроллер диска.
Так появилась команда TRIM (англ. — подрезать), с помощью которой ОС уведомляет контроллер SSD-диска об освобождении определенной области памяти. Команда TRIM необратимо стирает данные с диска. Не все операционные системы знают о необходимости отправлять эту команду твердотельным накопителям, а аппаратные RAID-контроллеры в режиме дисковых массивов никогда не отправляют TRIM дискам.
Погружение в историю
Разработка первого жесткого диска велась с 1952 года компанией IBM. 14 сентября 1956 года был анонсирован итоговый результат разработок — IBM 350 Model 1. Накопитель вмещал 3.75 мебибайт данных при весьма нескромных габаритах: 172 сантиметра в высоту, 152 сантиметра в длину и 74 сантиметра в ширину. Внутри располагались 50 покрытых чистым железом тонких дисков диаметром 610 мм (24 дюйма). Среднее время поиска данных на диске занимало ~600 мс.
Время шло, и IBM уверенно улучшал технологию. В 1961 году представлен IBM 1301 вместимостью 18.75 мегабайт со считывающими головками на каждой пластине. В IBM 1311 появились съемные дисковые картриджи, а с 1970 года в IBM 3330 была внедрена система обнаружения и коррекции ошибок. Спустя три года появился IBM 3340 известный под названием «Winchester».
Винчестер (от англ. Winchester rifle) — общее название для винтовок и ружей, производившихся Winchester Repeating Arms Company в США во второй половине XIX века. Это были одни из первых многозарядных ружей, получивших огромную популярность среди покупателей. Своим названием они были обязаны основателю компании — Оливеру Фишеру Винчестеру (Oliver Fisher Winchester).
IBM 3340 состоял из двух шпинделей по 30 МиБ каждый, из-за чего инженеры называли этот диск «30-30». Это название напоминало о винтовке Winchester Model 1894 с патронами .30-30 Winchester, из-за чего Кеннет Хотон (Kenneth Haughton), руководящий разработкой IBM 3340, сказал «Если это 30-30, то это должен быть Винчестер» («If it’s a 30-30, then it must be a Winchester.»). С тех пор «винчестером» называют не только винтовки, но и жесткие диски.
Спустя еще три года вышел IBM 3350 «Madrid» с 14-ти дюймовыми пластинами и временем доступа 25 мс.
Первый SSD-накопитель создан компанией Dataram в 1976 году. Накопитель Dataram BulkCore состоял из шасси с восьмью планками RAM-памяти объемом 256 КиБ каждая. В сравнении с первым жестким диском, BulkCore был крошечным: 50,8 см в длину, 48,26 см в ширину и 40 см в высоту. При этом время доступа к данным в этой модели составило всего 750 нс, что 30000 раз быстрее, чем у самого современного на тот момент HDD-диска.
В 1978 году основана компания Shugart Technology, которая спустя год меняет свое название на Seagate Technology во избежание конфликтов с Shugart Associates. Через два года работы Seagate на свет появляется ST-506 — первый жесткий диск для персональных компьютеров в форм-факторе 5.25 дюйма и вместимостью 5 МиБ.
Помимо появления Shugart Technology, 1978 год запомнился выпуском первого Enterprise SSD от компании StorageTek. StorageTek STC 4305 вмещал 45 МиБ данных. Этот SSD разрабатывался как замена IBM 2305, имел схожие размеры и стоил невероятные 400 000$.
В 1982 году SSD приходит на рынок персональных компьютеров. Компания Axlon специально для Apple II разрабатывает SSD-диск на RAM-чипах под названием RAMDISK 320. Поскольку накопитель создавался на базе энергозависимой памяти, в комплекте поставлялся аккумулятор для поддержания сохранности информации. Емкости аккумулятора хватало на 3 часа автономной работы в случае потери электропитания.
Спустя год компания Rodime выпустит первый жесткий диск RO352 на 10 МиБ в привычном для современного пользователя форм-факторе 3.5 дюйма. Несмотря на то, что это первый коммерческий диск в таком форм-факторе, Rodime по сути не сделала ничего инновационного.
Первым продуктом в этом форм-факторе считается флоппи-дисковод, представленный компаниями Tandon и Shugart Associates. Более того, компании Seagate и MiniScribe договорились о принятии промышленного стандарта 3.5 дюйма, «оставив за бортом» Rodime, которую ждала судьба «патентного тролля» и полный выход из индустрии производства накопителей.
В 1980 году, инженер Toshiba, профессор Фудзио Масуока, зарегистрировал патент на новый вид памяти, названный Flash-памятью типа NOR. Разработка заняла 4 года.
NOR-память представляет собой классическую 2D матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке (аналог памяти на магнитных сердечниках).
В 1984 профессор Масуока рассказал о своем изобретении на конференции International Electronics Developers Meeting, где компания Intel быстро оценила перспективность данной разработки. Компания Toshiba, в которой работал профессор Масуока, не считала Flash-память чем-то особенным, а потому удовлетворила просьбу Intel сделать несколько опытных образцов для изучения.
Проявленный компанией Intel интерес к разработке Фудзио, подтолкнул Toshiba выделить пять инженеров в помощь профессору на решение проблемы коммерциализации изобретения. Intel, в свою очередь, бросил три сотни сотрудников на создание собственного варианта Flash-памяти.
Пока Intel и Toshiba вели разработки в области Flash-накопителей, в 1986 произошло два важных события. Во-первых, официально стандартизирован SCSI — набор соглашений для взаимодействия между компьютерами и периферийными устройствами. Во-вторых, разработан интерфейс AT Attachment (ATA), известный под брендовым названием Integrated Drive Electronics (IDE), благодаря которому контроллер диска переместился внутрь диска.
Три года Фудзио Маусока трудился над улучшением технологии Flash-памяти и к 1987 году разработал NAND-память.
NAND-память — та же самая NOR-память, организованная в трехмерный массив. Основным отличием стало то, что алгоритм доступа к каждой ячейке стал сложнее, площадь ячеек стала меньше, а общая емкость значительно увеличилась.
Годом позже компания Intel разработала собственную Flash-память типа NOR, а компания Digipro сделала на ней накопитель под названием Flashdisk. Первая версия Flashdisk в максимальной комплектации вмещала 16 МиБ данных и стоила менее 500$.
В конце 80-х и начале 90-х производители жестких дисков соревновались в уменьшении размеров дисков. В 1989 компания PrairieTek выпускает диск PrairieTek 220 на 20 МиБ в форм-факторе 2.5 дюйма. Спустя два года Integral Peripherals создает диск Integral Peripherals 1820 «Mustang» с тем же объемом, но уже 1.8 дюйма. Годом позже Hewlett-Packard сократила размер диска до 1.3 дюйма.
Компания Seagate хранила верность дискам в форм-факторе 3.5 дюйма и делала ставку на увеличение скорости вращения, выпустив в 1992 свою знаменитую модель Barracuda, первый жесткий диск со скоростью вращения шпинделя 7200 оборотов в минуту. Но на этом Seagate не собиралась останавливаться. В 1996 диски линейки Seagate Cheetah достигли скорости вращения 10000 оборотов в минуту, а через четыре года модификация Х15 раскручивалась аж до 15000 оборотов в минуту.
В 2000 году интерфейс ATA стал называться PATA. Виной тому стало появление интерфейса Serial ATA (SATA) с более компактными проводами, поддержкой «горячей замены» и повышенной скоростью передачи данных. Seagate и здесь взяла первенство, выпустив первый жесткий диск с таким интерфейсом в 2002.
Производство Flash-памяти изначально было очень дорогим, но в начале 2000-х стоимость резко снизилась. Этим воспользовалась компания Transcend, в 2003 выпустившая SSD-диски объемом от 16 до 512 МиБ. Через три года к массовому производству подключились компании Samsung и SanDisk. В этом же году IBM продает свое дисковое подразделение компании Hitachi.
Твердотельные накопители набирали обороты и возникла очевидная проблема: интерфейс SATA был медленнее, чем сами SSD-накопители. Для решения этой проблемы рабочая группа NVM Express Workgroup начала разработку NVMe — спецификацию на протоколы доступа к SSD напрямую по шине PCIe, минуя «посредника» в виде SATA-контроллера. Это бы позволило получать доступ к данным со скоростью шины PCIe. Через два года первая версия спецификации была готова, а еще через год появился первый NVMe-накопитель.
Читайте также: