Флэш и SSD: факты и прогнозы

Введение

В начале октября ответственный за разработку стандартов в микроэлектронике комитет JEDEC провёл серию семинаров на тему того, как и чем в ближайшие годы будет прирастать рынок флэш-памяти и, в частности, рынок флэш-винчестеров — SSD. Вряд ли кто-то будет спорить с тем, что флэш-память для всех интересующихся компьютерами — это больше чем карточки памяти и USB-накопители. Тема SSD не только модна, она всё ближе к определению «актуальна». Кризис отложил приход недорогих флэш-винчестеров, но это время не за горами, считают специалисты. Насколько? На этот и другие вопросы относительно перспектив развития флэш-памяти отвечают непосредственные участники процесса — разработчики стандартов, технологий, устройств.

В этой небольшой статье мы сделаем наиболее интересные, на наш взгляд, вытяжки из докладов с октябрьского семинара JEDEC, благодаря чему попытаемся дать общую картину развития флэш-памяти и её интересного для нас применения в качестве флэш-винчестеров.

Но начнём мы с того, что флэш-память в компьютерах — это далеко не самое главное практическое применение энергонезависимой памяти. Флэш-винчестеры во всех своих проявлениях занимают одну из нижних ступеней в плане популярности среди использующих флэш-память производителей, опережая лишь автопром и разного рода мелочёвку. Соответственно, популярность или непопулярность такого товара, как SSD, окажет пусть заметное, но не самое решающее влияние на рынок в целом.

Как следует из графика, составленного специалистами аналитической компании Gartner и маркетинговым отделом компании Phison (один из лидеров производства NAND-флэш), двигателем рынка флэш-памяти необходимо считать цифровые фотомыльницы (в основном — флэш-карточки для них, надо полагать), MP3-плееры, USB-накопители, бытовые видеокамеры и телефоны. Данная категория товаров идёт с хорошим отрывом от игровых приставок, планшеток и компьютеров:

В ближайшие годы тенденция не изменится, а среднегодовой прирост объёма памяти составит примерно 100 %. Иными словами, с 2010 года массив памяти в исполнении флэш-чипов ежегодно будет, как минимум, удваиваться. Звучит заманчиво.

Чего им это стоило

За последние десять лет график роста производства флэш-памяти просел лишь в 2009 году. Все мы знаем — это последствия финансово-экономического кризиса. Но даже несмотря на кризис, NAND-флэш развивалась много лучше остальных популярных видов памяти — NOR, DRAM, SRAM — демонстрируя в течение всего последнего десятилетия среднегодовой прирост 40 % (данные Forward Insights):

Но чего стоил этот рывок! Если вы следите за нашей новостной лентой, то, возможно, обратили внимание на тот факт, что технологические нормы выпуска флэш-памяти давно обогнали нормы производства памяти компьютерной. Флэш-чипы уже выпускаются с масштабом менее 30 нм — от 24 до 27 нм — тогда как DDR3 лишь подошла к рубежу производства с 30-нм нормами.

Внедрение новых технологий с подобной скоростью требует огромных инвестиций и непомерных для многих расходов на производство. Пока мы радовались падению розничных цен на SSD, за радужным фасадом роста рынка NAND-флэш скрывалась обратная сторона — убытки от производства чипов флэш-памяти не прекращались в течение десяти кварталов подряд! И виновен в этом не кризис, а желание удержаться или вырваться вперёд на новом поприще, что влекло за собой долгосрочные вложения и сиюминутные убытки. Отрасль производства NAND-флэш ушла в минус во втором квартале 2007 года и выбилась в плюс лишь год назад — в третьем квартале 2009 года. Совокупные потери компаний, за исключением показателей Samsung, составили за это время внушительную сумму 23,4 млрд. долларов США (информация Samsung):

Компания Samsung не включила в диаграмму данные о своей работе (как и зашифровала цветом остальных участников процесса). Однако её результаты сильно не изменят изображённую на картинке тенденцию — за снижением цен на флэш-чипы (и SSD) скрывалась жестокая конкурентная борьба, в которой никому не удалось остаться в стороне. В начале 2007 года на рынок флэш-памяти вышло СП Intel и Micron. Зашевелились остальные. Давние партнёры по бизнесу японская компания Toshiba и SanDisk стали строить один за другим новые заводы. Деньги на капзатраты потекли рекой.

Максимальное падение розничных цен на флэш-накопители случилось в четвёртом квартале 2008 года. Но это был квартал, когда промышленность буквально встала. Компания Micron, например, остановила NAND-производство в Айдахо, её примеру последовали практически все компании, заморозив или снизив производство на линиях по выпуску флэш-памяти, что привело к дефициту чипов и росту цен на накопители. Слава богу, эти времена, по-видимому, прошли. Вложения в производство вновь пошли вверх в 2010 году, давая сигнал к началу нового витка технологических войн, как и надежду на появление доступных по цене флэш-винчестеров (данные Gartner):

До кризиса средняя стоимость одного гигабайта флэш-памяти падала со скоростью более 50 % в год — вот они, наши прошлые надежды (в 2008 гигабайт флеш-памяти за год подешевел на 64 %). Начиная с 2009 года, падение стоимости «энергонезависимого» гигабайта упало до показателя менее 40 % в год (данные Forward Insights):

В текущем году средняя стоимость одного гигабайта NAND-флэш стала меньше прошлогодней лишь на 18 %, что фактически вернуло нас на позиции четвёртого квартала 2008 года. Зато уже в следующем году средняя стоимость гигабайта NAND-флэш обещает упасть на 38 % — это приблизит нас к знаковой черте «доллар за гигабайт». Забегая вперёд, отметим, в составе флэш-винчестера доллар за гигабайт ожидается на год позже — в 2012 году.

Основными факторами, влияющими на формирование цены на флэш-память, считаются увеличение объёмов производства, переход к выпуску 64-Гбит чипов и увеличение доли NAND MLС с трёхбитовой ячейкой. Однако всё ещё слабый спрос на SSD служит негативным явлением в процессе снижения стоимости флэш-чипов. Винить в недостаточной популярности SSD следует как пользователей, которые не хотят переплачивать за значительно большую стоимость хранения данных, так и производителей. Последние должны приложить больше усилий для разъяснения выгод флэш-винчестеров, как и прийти, наконец, к единому стандарту в определении потребительских характеристик SSD.

Например, принятая в электронике величина числа часов наработки на отказ абсолютно неинформативна в случае SSD, поскольку NAND-флэш имеет ограниченное число циклов стирания, а числа допустимых объёмов перезаписи каждый производитель трактует по-своему, как и показатели производительности. К счастью, стандарт JEDEC JC64.8 «SSD Endurance and Data Retention Verification Test», о котором мы поговорим ниже, в октябре нынешнего года получил путёвку в жизнь — с ним сравнивать характеристики флэш-винчестеров разных производителей станет проще.

Планшетки — двигатель прогресса

Говоря о распределении объёма производимой энергонезависимой памяти между устройствами, компания Samsung видит радикальные изменения в движущих силах отрасли. С этого года, показывают исследования Samsung, карточки памяти и USB-накопители потеряли перспективу на лидерство:

Основным двигателем спроса на ёмкие чипы флэш-памяти стали смартфоны, SSD и планшетки. Последние, с лёгкой руки Apple, породили буквально новое направление в компьютерной индустрии и обещают к следующему году трёхкратный рост доли среди основных потребителей NAND-флэш — с 3 % до 9 %. Развитие направления флэш-винчестеров тоже впечатляет увеличением доли с 6 % до 10 %. Наконец, смартфоны потеснят доли конкурентов на 4 %, что тоже показательно.

В целом, в 2010 году будет выпущено NAND-чипов суммарным объёмом памяти порядка 9,5 млрд. гигабайт, что на 74 % больше, чем в 2009 году. Но это не самый высокий показатель роста за десятилетие. Наибольший скачок NAND-флэш совершила в 2005 году — прирост 245 % в год — когда обогнала по темпам производства флэш-память NOR-типа.

Появление и ожидаемый огромный спрос на планшетки, как и рост доли смартфонов, стали ответом на растущую популярность социальных сетей, услуг и средств беспроводного доступа, в том числе мобильной связи. Социальная сеть Facebook, например, за один только год в период с 2009 по 2010 год увеличила число активных пользователей с 250 млн. до свыше 500 млн. человек. Ежедневно сервисом стали пользоваться 200 млн. участников против 120 млн. годом ранее, число размещаемых в месяц на страницах сайта фотографий возросло с 1 млрд. до 3 млрд., а количество ежемесячно обновляемых видеороликов перевалило за 12 млн. (в 2009 — 10 млн.). Мобильным доступом при этом пользуются 150 млн. человек, тогда как год назад таких пользователей было в пять раз меньше.

Показанные выше числа свидетельствуют о значительном росте объёма передаваемых мультимедийных данных и, что важно, потока, смещающегося в сторону мобильных устройств. Для поглощения рождаемого социальными сетями «информационного мусора» ноутбуки не нужны и даже излишни, тогда как смартфонов и планшеток хватает с головой. А то, что обе последние категории мобильных устройств являются основными потребителями флэш-чипов, особо доказывать не надо — жёсткие диски в смартфоны не ставят. Наращивать же объёмы памяти в устройствах, в соответствии с растущими аппетитами пользователей, придётся ударными темпами.

О росте роли социальных сетей в обмене регулярным трафиком позволяет судить следующее исследование аналитического агентства Morgan Stanley Research. Как следует из диаграммы, число пользователей разного рода сетевых сообществ обошло число зарегистрированных пользователей электронной почты ещё в июле 2009 года. Время, проводимое за «чириканьем» в соцсетях, превысило время работы с электронной почтой и того раньше — в ноябре 2007 года:

Данные графики, кстати, позволяют аналитикам предречь смерть e-mail как класса где-то в течение четырёх-пяти лет. Во всяком случае, по времени использования и по объёму трафика электронная почта к концу пятилетки будет занимать ничтожную долю внимания среднестатистического пользователя, сохранившись лишь в качестве рабочего инструмента в бизнес-сфере.

В 2010 году, по данным Cisco Visual Networking Index, средний объём трафика в месяц составлял 21367 петабайт (1 ПБ — 13,3 года Full-HD видео). Со среднегодовым ожидаемым приростом трафика на величину 40 % к 2020 году ежемесячный объём передаваемых данных может достичь 600000 ПБ или 600 эксабайт (ЭБ). К 2040 году в месяц будет прокачиваться порядка 500 зеттабайт (ЗБ). В запасе останутся йоттабайты, а дальше — всё, единицы измерения информации закончатся. Придётся принимать новую размерность, шутит Samsung:

Силою воли Apple, появившиеся в 2010 году планшетки могут достичь продаж 15 млн. устройств за первый год. Благодаря сильнейшему отставанию конкурентов — не все из них успеют выпустить свои планшеты даже к Рождеству — преимущественно это будет модель Apple iPad. Из недр крупных OEM-производителей, телефонных и сетевых компаний до конца года обещают выйти планшетки Samsung Galaxy Tab, ASUS Eee Pad, Dell Looking Glass, HP Slate, Motorola Everest и Cisco Converj. В 2011 году число проданных планшеток обещает увеличиться до 50 млн., а в 2012 году — до 80 млн. График роста продаж планшеток и примерно «зарезервированный» за ними объём флэш-памяти приводит компания iSuppli (главный тезис — объёмы памяти растут быстрее количества планшеток). График Forrester Research показывает ориентировочное соотношение доли планшеток на рынке персональных компьютеров в США:

Очевидно, подобные пропорции будут справедливы для других развитых рынков — Западной Европы и Японии. Как видим, в нише персональных компьютеров с 2010 года появился «четвёртый элемент», разрастающийся не только сам по себе, но и явно подъедающий доли существующих до него классов ПК. Аналитики Goldman Sachs Research считают, что в 2010—2011 годах из ежегодного объёма продаж планшеток 60 % устройств будут востребованы сами по себе, а 40 % заменят собой ноутбуки или нетбуки — произойдёт так называемая каннибализация рынка мобильных ПК. В 2010 году из этих 40 % планшеток 95 % будет куплено вместо нетбуков, а 5 % — вместо ноутбуков. Рынок ПК при этом, по разным оценкам, не досчитается до 7 млн. систем. В 2011 году «потерянные» доли перераспределятся: 50 % покупателей планшеток откажутся от покупки нетбука, а 20 % — от покупки ноутбука. Всё «украденное», а это число может достичь порядка 20 млн. систем, капнет в копилку рынка флэш-памяти, являющейся единственным разумным вариантом для планшеток и одновременно почти не использующейся в нетбуках и ноутбуках. И капнет хорошо. Увеличение объёма продаж планшеток в 3,7 раза вызовет 5-кратный рост потребления флэш-памяти, ибо контент, как сказано выше, пухнет не по дням, а по часам, что требует пропорционального увеличения встроенной в планшетки (смартфоны) памяти.

Заметным подспорьем рынку флэш-чипов обещает стать рынок электронных книг — устройств, ориентированных преимущественно на чтение электронных текстов, экраны которых легко читаются в отражённом солнечном свете и обладают эффектом памяти. Несмотря на заявления типа «Apple iPad убьёт электронную книгу как самостоятельный класс устройств», рынок «читалок» будет развиваться своими темпами и, соответственно, потреблять свою часть NAND-флэш, повышая попутно объём бортовой памяти:

Среднегодовой прирост продаж электронных «читалок» в ближайшие пять лет ожидается на уровне 70 %. Продажи электронных версий текстов в магазине Amazon уже обошли в том же магазине продажи книг в твёрдой обложке, а в течение года компания обещает обогнать «бумагу» во всём её виде издания. Популярности книгам Amazon Kindle добавляет то, что летом этого года компания перешла на всем известный «принцип Жиллетт» — устройство продаётся дешевле или на грани себестоимости, тогда как основной доход приносят «расходные материалы». В данном случае, убытки от продаж Amazon Kindle покрывает прибыль от торговли текстами.

Наконец, смартфоны, как карманная категория устройств интернет-доступа, также демонстрируют уверенный рост продаж — порядка 36 % в год на ближайшие два-три года. Собственно, рынок мобильных телефонов последние два года расширяется исключительно за счёт смартфонов. Объёмы продаж простых аппаратов для мобильной связи не растут. Средний объём встроенной NAND-флэш памяти в смартфонах этого года составляет 5,9 ГБ. В следующем году эта цифра увеличится до 9,5 ГБ, в 2012 году — до 13,3 ГБ и так далее (данные Forward Insight). Учитывая, что пользователи практически сразу после покупки расширяют память смартфонов карточками памяти, объёмы потребления флэш-чипов данным видом устройств также растут внушительными темпами.

Флэш-винчестеры — наше всё

Сегодня цена на SSD-накопители оставляет желать лучшего, а если на розничный рынок и попадает что-то доступное, оставляют желать лучшего характеристики — у «100-долларовых» флэш-винчестеров и объёмы не превышающие 32-64 ГБ, и скорость оказывается довольно скромной. Производители доказывают, что стоимость хранения одного гигабайта на SSD — это ещё не самое главное. Главное — это надёжность, ударопрочность, высокий показатель IOPS на каждый затраченный доллар, низкие температурные характеристики, отсутствие шума и так далее. За всё вышеперечисленное готов платить корпоративный пользователь, но домашний, всё же, ждёт снижения цен на каждый гигабайт SSD.

Оба направления требуют индивидуальных подходов, и они будут развиваться параллельно. Общей тенденцией можно считать массовый отказ от памяти типа SLC NAND с однобитной ячейкой в пользу MLC NAND с двухбитной, а затем и с большим числом бит, записываемых в каждую ячейку. Одновременно с отказом от SLC NAND на рынок выходит память типа eMLC — enterprise MLC с увеличенным числом допустимых циклов перезаписи (с 3000 до 6000). Подобную память в своих новых корпоративных SSD стала использовать компания Intel. Всё это — вопрос стоимости, и игнорировать его производители никак не могут. Впрочем, там, где вопрос цены будет совсем неважен, например, для обслуживания массивов данных с огромными объёмами запросов, накопители на SLC-памяти по-прежнему будут в ходу.

В 2009 году стоимость хранения одного гигабайта информации на корпоративных SSD с SLC-памятью доходила до 20 долларов США. В 2010 году, благодаря выходу корпоративных SSD на MLC-памяти, стоимость хранения гигабайта информации на флэш-винчестерах снизилась до 5 долларов. В последнем случае речь идёт о накопителях для серверов, SSD для массивов хранения по-прежнему рекомендуется брать на SLC-памяти. Однако уже в следующем году SSD на MLC (eMLC?) будут распространены практически на весь корпоративный сегмент, где во многих сферах заменят собой накопители на SLC-памяти, но доведут стоимость хранения данных до 5 долларов за гигабайт. Под действием данных процессов, в 2012 году можно ожидать снижения стоимости каждого гигабайта потребительского SSD на MLC-памяти до одного доллара. Стоимость «корпоративного» гигабайта до одного доллара упадёт на два года позже — в 2014 году.

Темпы развития рынка SSD, с учётом разделения на сегменты применения, иллюстрирует прогноз на пятилетку компании Gartner (данные августа):

Подавляющее большинство флэш-винчестеров — порядка 90 % — будет выходить для рынка клиентских систем, включая домашние настольные и мобильные ПК, нетбуки. SSD будут обязательны в компьютерах максимальной производительности, как в домашних, так и в рабочих станциях. Они станут неотъемлемой частью «модных» тонких ноутбуков. В компьютерах рангом пониже SSD пропишутся, либо в качестве опции (ПК для терминалов, заменители десктопов), либо в составе с жёсткими дисками в домашних ПК — так называемые гибридные системы, когда загрузка производится с быстрого SSD, а данные хранятся на HDD. В самом нижнем сегменте — в нетбуках — SSD будут присутствовать по умолчанию, но небольших объёмов. Компания Samsung так видит карту распределения SSD в зависимости от стоимости вычислительной системы:

Возвращаясь к графику Gartner, отметим, компания понизила прогноз развития рынка SSD. В июльской версии документа разница показателей на каждый год прогноза составляет от 5 до 10 млн. единиц. Можно подозревать, что аналитики начали вносить поправки с оглядкой на бурное развитие планшеток, которые, как мы увидели выше, всё-таки отрывают кусочек пирога у рынка ПК. Тем не менее, среднегодовой рост рынка SSD будет превышать 70 % — это быстрее ожидаемых темпов роста рынка планшеток, а значит, компьютерное применение флэш-памяти будет одним из важных факторов развития направления совершенствования NAND-флэш.

Отдельно приятно, что платить за удовольствие будет, всё же, не один частный пользователь. Хотя клиентские SSD будут выходить на рынок в подавляющем большинстве (90 штук на каждую сотню накопителей), они будут приносить производителям лишь половину дохода. Вторую половину в копилку производства флэш-винчестеров регулярно будут вносить покупатели корпоративных SSD (Gartner):

Ещё два графика позволяют примерно понять, когда объём выпускаемой флэш-памяти догонит и перегонит массив хранения данных на жёстких дисках, а также оценить темпы снижения цен на SSD:

Расположенный слева график, предоставленный специалистами IDC, говорит о начале доминирования SSD над жёсткими дисками в 2018 году (в терминах единиц объёма). График справа, построенный с помощью данных Samsung, даёт возможность оценить темпы снижения розничных цен на потребительские флэш-винчестеры. SSD объёмом 64 ГБ уже пересекли отметку стоимости среднестатистического HDD плюс 100 долларов. Накопители объёмом 256 ГБ пересекут границу «+100 долларов» через три года — в 2013. Флэш-винчестеры объёмом 1 ТБ опустятся до знаковой черты в 2016 году.

Снижение стоимости SSD будет сопровождаться улучшением их и так замечательных, на наш взгляд, потребительских качеств. Совершенствоваться будут как технологии производства, так и интерфейсы, контроллеры, да и сама идеология работы SSD.

В настоящее время основным шагом вперёд считается отказ от сигнального интерфейса SDR в пользу DDR. Увеличение пропускной способности вдвое произойдёт по той же самой схеме, как это произошло в случае перехода от компьютерной памяти SDR SDRAM к DDR SDRAM: за счёт считывания данных по обоим фронтам тактового сигнала, а не только по одному, как в случае SDR-интерфейса. Соответственно, скорость передачи по линиям данных поднимется с 66 Мбит/с до 133 Мбит/с и дальше, вплоть до 200 Мбит/с:

Как и в случае оперативной памяти, флэш-память с интерфейсом DDR будет синхронизироваться внешним сигналом DQS. При этом допускаются два режима работы: асинхронный (Toggle-mode) и более сложный синхронный. Не вдаваясь в подробности, отметим, что первый режим использует в своих новейших флэш-чипах компания Samsung. Синхронную передачу данных — стандарт ONFi (Open NAND Flash Interface) — продвигает с партнёрами компания Intel. Ратификация стандарта DDR применительно к флэш-памяти с пропускной способностью до 200 Мбит/с ожидается комитетом JEDEC в начале 2011 года. Следующим этапом станет повышение скорости интерфейса флэш-памяти до 400 Мбит/с.

Компания Samsung позволяет нам наглядно получить представление о том, насколько могут улучшиться характеристики SSD при миграции на чипы с интерфейсом DDR 133 Мбит/с и DDR 400 Мбит/с:

Число операций IOPS в режиме случайного чтения возрастёт на 10 %, а потом и на 20 %, а число IOPS в режиме случайной записи — на 40 % и 60 %. Современное поколение NAND-флэш, однако, позволяет рассчитывать только на первый этап ускорения. Переход к высокоскоростной 400-Мбит/с памяти потребует значительно расширить структуру сигналов, включая дополнения к стробу данных (DQS) и сигналу разрешения чтения (RE), как и ввод сигналов для арбитража напряжений, допуская возможность внешнего питания ячеек памяти для операций чтения/записи, исключая обычно встроенный в чип источник (charge pumps).

КПД встроенного в NAND-флэш источника питания — преобразователя с 3,3 В до значения 11,5—12,5 В — менее 30 %, что особенно чувствительно по энергозатратам в случае SSD серверного назначения. Также потребуется ввести внутрикристальную терминацию сигнальных линий (On Die Termination). Более того, она будет управляемой, как и будет управляемой величина латентности строба (немного подробнее в этом документе). При всём при этом новые сигналы будут лишь дополнять существующие, что сделает чипы высокоскоростной памяти обратно совместимыми для использования со старыми контроллерами.

Ещё одним моментом по улучшению памяти NAND-флэш станет снижение питающего напряжения с 3,3 В до 1,8 В. Очевидно, это произойдёт на этапе совершенствования первого поколения DDR-флэш (133 Мбит/с). Следующим шагом станет увеличение числа допустимых циклов стирания/записи флэш-памяти типа eMLC (enterprise). Современная память MLC допускает 3000 циклов перезаписи. Первые коммерческие версии eMLC позволяют поднять данное значение до 6000 (новые корпоративные SSD Intel), а по утверждению разработчиков, в перспективе память eMLC будет способна выдерживать до 30000 циклов очистки/записи.

Для дальнейшего пояснения путей совершенствования SSD уместно показать общую картину в изменении базовых характеристик флэш-памяти (данные Qualcomm):

В настоящий момент производители готовятся сокращать выпуск памяти поколения 30 нм, во всяком случае, если говорить о лидерах — Intel, Micron, Samsung, Elpida, Hynix, Toshiba — и начинают разворачивать массовое производство NAND-флэш 20-нм класса. Увы, уменьшение масштаба техпроцесса, применительно к ячейке флэш-памяти, ведёт к ухудшению потребительских качеств чипов. Во-первых, износостойкость сокращается с 3000 циклов перезаписи до 2000 или даже менее (речь о памяти MLC, и другой не будет). Время удержания заряда, похоже, тоже упадёт, но вряд ли сильно меньше пяти лет, что, в общем-то, при постоянной эксплуатации SSD некритично.

Размер рабочей страницы может и получится удержать на уровне 8 КБ, но избежать повышения уровня ошибок — RBER, raw bit error rate — не удаётся. По мере уменьшения техпроцесса увеличиваются взаимные наводки соседних ячеек, уменьшается число электронов в плавающем затворе, повышаются токи утечки в утончающихся изоляторах. Всё это заставляет увеличивать число бит ECC для коррекции ошибок и повышать производительность ECC-процессоров. Заложенных для коррекции ошибок 24 бит ECC на 1 КБ данных хватит ненадолго. Для 20-нм поколения чипов разрядность ECC будет увеличена до 80 бит на 1 КБ или даже больше. Более того, разработчики контроллеров предлагают сделать адаптивную ECC, для которой область хранения кода была бы не выделенной, а позволяла бы, по мере возникновения необходимости, залезать в область страниц памяти с данными.

Решение проблем с увеличением числа ошибок, снижением износоустойчивости, повышением размера страницы (увеличение объёма внутреннего буфера, снижение роста IOPS для операций случайной записи), увеличение ёмкости MLC-ячейки до трёх, а вскоре и четырёх бит, требующих дополнительного повышения мощности ECC-блоков, неимоверно усложняет конструкцию и логику работы контроллера флэш-памяти. Может быть, именно поэтому столь важна обратная совместимость будущих сверхбыстрых NAND-чипов с существующими контроллерами?

Кроме стратегических задач, контроллеры должны решать также тактические задачи, если можно так выразится. При производстве может возникнуть ситуация, когда из-за брака не читается тот или иной участок микросхемы памяти — так называемый отказ кластера — битая адресная строка или колонка, другие необратимые повреждения. Тестирование чипов не всегда способно выявить полноту проблемы, кроме того — это углублённая проверка требует наращивать расходы на тестирование. Будущие контроллеры, считают в компании SandForce, кроме глобального контроля износа должны быть оборудованы системой компенсации отказов кластеров. Для реализации данной стратегии на сегодня не придумали наилучшего механизма, чем механизм функционирования RAID-массивов. Поэтому будущие контроллеры SSD просто обязаны нести в себе внутрикристальные элементы RAID-архитектуры.

Ещё одним заметным новшеством в контроллерах обещает стать отказ от внутреннего SRAM- и внешнего DRAM-буфера в угоду внутреннего буфера с энергонезависимой памятью (компания SandForce на современном этапе уже отказалась от использования внешнего DRAM-буфера). В качестве кандидатов на роль энергонезависимого буфера рассматриваются пока перспективные виды флэш-памяти, такие, как резистивная ReRAM (пресловутый мемристор), магниторезистивная MRAM или память с изменяемым фазовым состоянием вещества Phase Change RAM. Данные типы памяти считаются «вечными», в отличие от NAND-флэш, а также достаточно быстродействующими, чтобы заменить собой оперативную память буфера. Само собой, кэш-буферу на энергонезависимой памяти нестрашны перебои в электропитании. В перспективе, безусловно, на новые виды памяти, список которых не ограничен приведенной выше тройкой, может быть переведён весь массив памяти SSD, а не только один буфер.

Кстати, есть предложение «жечь» ячейки NAND-флэш с избирательной скоростью, что позволяет сделать логику работы SSD очень гибкой. Концепция так называемой регулируемой динамической и статической производительности позволит выпускать флэш-винчестеры с чётко заданной ориентацией на сферы применения. Нужна максимальная производительность, и при этом не жалко выработать ресурс SSD за год — используем статическую производительность. Необходимо уложиться в максимально допустимое время жизни SSD, но при этом в ряде случаев получить пиковую производительность — задействуем регулируемую динамическую производительность:

Ячейки «притормозят» на некритических задачах, но в моменты необходимой активности SSD будет работать с требуемой отдачей.

Понятно, для реализации всех планов на практике потребуется совершенствование программных интерфейсов контроллеров, операционных систем и хост-контроллеров. Последнее востребовано уже на нынешнем этапе. Современные компьютерные платформы ориентированы на работу с жёсткими дисками. Как можно судить по многочисленным тестам в нашей лаборатории, разработчикам RAID-контроллеров и чипсетов всё ещё есть над чем работать, настолько загадочным может быть поведение SSD, не говоря уже о каких-либо радикальных новшествах. Проиллюстрируем сказанное картинкой, предоставленной компанией Samsung:

Одна и та же модель SSD ведёт себя на разных адаптерах совершенно по-разному, усугубляя разброс показателей по мере увеличения очереди команд.

Выше мы коснулись новых видов энергонезависимой памяти. Надо сказать, NAND-флэш и её, как это модно говорить «экосистема», также будут подвержены постоянному улучшению. Это не только интерфейсы и масштабы техпроцессов, но и повышение разрядности хранения данных в ячейках, приёмы упаковки и микроархитектура.

Флэш-память с хранением трёх бит в MLC-ячейке за два года захватила до 25 % рынка NAND-флэш. Сначала её выпускала только японская Toshiba, затем присоединились Samsung и Intel с Micron. К концу следующего года доля TBC-памяти (3-bit-cell) возрастёт до 35 %, а 5 % будет приходиться на долю памяти с четырёхбитовой ячейкой:

Пока предполагается чёткая сегментация использования TBC и FBC-памяти: установка в карточки памяти и USB-накопители. Повышение разрядности хранящихся в ячейке бит данных ведёт к серьёзному усложнению контроллеров и механизмов коррекции ошибок. Но такая память позволяет быстрее снизить стоимость хранения информации. Правда, за счёт замедления рабочих характеристик и снижения допустимого числа циклов перезаписи. Но можно даже не сомневаться, попытки найти компромисс между низкой стоимостью и приемлемой надёжностью будут предприниматься неоднократно, так что флэш-винчестеры на основе MLC-памяти с числом бит на ячейку больше двух появятся рано или поздно.

Из других проблем можно отметить растущее число контактов у NAND-флэш микросхем, которое достигает 600 для самой ёмкой памяти и планирует расти дальше. В то же время, растущее число контактов препятствует уменьшению физических размеров микросхем. Выход видится в совершенствовании SiP- (system-in-package) и PoP-упаковок (Package on Package) — многокристальной и многочиповой упаковке кристаллов и микросхем в один корпус. Усовершенствованным способом вертикальной упаковки кристаллов видится технология «through silicon via» — создание в кристаллах лазером сквозных отверстий с последующим заполнением их медью.

Хорошим решением для снижения числа ножек у чипов является переход на последовательные интерфейсы. В течение следующего года на замену встраиваемой флэш-памяти eMMC обещает появиться первое поколение памяти с последовательным интерфейсом UFS (Universal Flash Storage):

Память в стандарте UFS не только позволит поднять скорость передачи информации, но также изменит логику работы флэш-накопителей в составе интернет-гаджетов, смартфонов и всего того, куда её будут устанавливать. Стандарт UFS, во-первых, поддерживает многозадачность; во-вторых, создаёт гибкую очередь команд (многое заимствовано из SCSI-модели); в-третьих, масштабируется от скорости 300 МБ/с и выше; в-четвёртых, допускает топологию соединения типа «цепь», выигрывая в минимальном требовании к числу каналов у контроллера или даже хост-контроллера. На последнее обратим внимание. Стандарт UFS может дорасти до компьютерного интерфейса, а не остаться интерфейсом для выпуска NAND-флэш чипов для встраиваемого применения. В сущности, NAND UFS — это нечто наподобие однокристальных SSD.

Что касается приведения к единому образцу стандартов измерения надёжности SSD и их потребительских характеристик, то, несмотря на принятие спецификаций JEDEC (JC-64.8), вопросов остаётся больше, чем ответов. Однако без чётких правил невозможно сравнивать флэш-винчестеры различных производителей, что ведёт к путанице и, в конечном итоге, к нерешительности покупателей. Так что вновь принятый стандарт будет ещё дорабатываться и дорабатываться.

Пока определено следующее. Все SSD разбиваются на два класса: клиентские и промышленные (Client, Enterprise). Требования к каждому из классов разные, так что одни и те же значения будут распространяться на разные условия эксплуатации. Так, характеристики Client SSD справедливы при рабочей температуре порядка 40 градусов по Цельсию и работе не более 8 часов в день. К накопителям Enterprise SSD требования выше — круглосуточная работа при нагреве до 55 градусов. Допустимое время удержание информации (в выключенном состоянии) для Client SSD составляет один год при окружающей температуре 30 градусов. Накопителям Enterprise SSD в выключенном состоянии разрешено не терять информацию три месяца при температуре окружающей среды 40 градусов.

Из вышесказанного следует, что логика работы контроллеров должна, так или иначе, время от времени переписывать даже невостребованные для записи ячейки. Например, «перетряхивать» архивы только для чтения и в случае корпоративных систем делать это в четыре раза чаще, чем в пользовательских системах. При этом величина функциональных отказов FFR в обоих случаях не должна превышать 3 %, а величины рейтинга невосстанавливаемых ошибок (UBER) 10 в 15-й степени для Client SSD и 10 в 16-й степени для Enterprise SSD.

Для каждого из классов система рейтингов будет своя, но она будет базироваться на значении TBW (TeraBytes Written, записанных терабайт) — десятичном числе, значение которого получено близко к 100-% износу конкретного SSD (числу циклов/стирания) при соблюдении вышеприведенных условий эксплуатации и допустимом уровне ошибок.

Проверка износостойкости может проводится методом прямого измерения (пока SSD не начнёт сбоить из-за превышения лимита циклов перезаписи, а не по другим причинам), либо методом экстраполяции. В последнем случае всё зависит от доброй воли производителя — какие цифры выдаст, таким и придётся верить.

На сегодня стандартом определена только рабочая нагрузка для измерения износоустойчивости SSD класса «предприятие». Она базируется не на работе накопителей в конкретных приложениях, а на синтетических тестах, исключающих эмуляцию каких-либо «типичных приложений». При этом для измерения износоустойчивости требуется «нагрузить» весь доступный пользователю объём SSD. Нагрузка для оценки клиентских SSD всё ещё находится в разработке и будет представлена позже. Все характеристики даются из расчёта использования 512-байтного сектора. Для 4-КБ сектора нагрузка и система оценки находятся в разработке.

Заключение

Поскольку в статье дан фактологический материал, данный раздел будет ценен лишь кратким резюме. А оно такое: развитие социальных сетей и связанных с ними сервисом провоцирует пользователей обзаводиться вспомогательными системами для работы в мультимедийном окружении, для чего нужны сравнительно большие экраны и объёмы памяти. В данный класс систем удачно вписались планшетки, причём они имеют высокие шансы не только потеснить нетбуки, но и создать собственную крупную рыночную нишу, стимулируя развития рынка флэш-памяти и SSD. Через два года стоимость хранения данных на SSD обещает опуститься до одного доллара за гигабайт, при этом SSD образца 2012 года станут не в пример производительнее сегодняшних «100-долларовых» флэш-винчестеров. А ещё через шесть лет SSD обгонят по объёмам хранения информации традиционные жёсткие диски. Но главное во всём этом — не ожидание предсказанных событий, а участие в процессе становления новых технологий и устройств. Оставайтесь с нами. Будет интересно.

Другие материалы по данной теме

SSD или 8 Гбайт памяти — ищем пути рационального апгрейда