ЛикБез#6: SSD

NAND является развитием NOR, которая использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов — ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке.

Конструкция NAND — трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется. Также в каждой линии установлено два МОП-транзистора. Управляющий транзистор разрядной линии (англ. bit line select transistor), расположенный между столбцом ячеек и разрядной линией. И управляющий транзистор заземления, расположенный перед землёй (англ. ground select transistor).

Схемотехника NAND оказалась удобна для построения вертикальной компоновки блока ячеек на кристалле. На кристалл послойно напыляют проводящие и изолирующие слои, которые образуют проводники затворов и сами затворы. Затем в этих слоях формируют множество отверстий на всю глубину слоев. На стенки отверстий наносят структуру полевых транзисторов — изоляторы и плавающие затворы. Таким образом формируют столбец кольцеобразных полевых транзисторов с плавающими затворами.

Такая вертикальная структура оказалась очень удачна и обеспечила качественный рывок плотности флеш-памяти. Некоторые компании продвигают технологию под своими торговыми марками, например V-NAND, BiCS. Количество слоёв по мере развития технологии наращивается: так, на 2016 год количество слоёв ряда изделий достигло 64, в 2018 году освоено производство 96-слойной памяти, в 2019 году Samsung заявила о серийном освоении 136 слойных кристаллов.

SLC – первый тип флеш-памяти, применяемый в твердотельных накопителях. Расшифровывается как Single Level Cell, т.е. одноуровневая ячейка, поддерживает один уровень сигнала, 1 бит информации.

MLC – Multi Level Cell — ячейка со многими уровнями. Транзистор такой флеш-памяти содержит 2 бита информации. Это решение позволило снижать стоимость накопителей.

TLC – Triple Level Cell – трехуровневая ячейка. За счет тонкого управления уровнем заряда ячейки, и повышением чувствительности считывания, один элемент флеш-памяти может хранить в себе 3 бита информации.

QLC – Quad Level Cell – четырехуровневая ячейка, способная хранить 4 бита данных одновременно.

Развитие плотности хранения негативно сказывается на ресурсе накопителя, производители увеличивают его за счет увеличения чипов памяти.

Современные SSD представлены моделями от 60ГБ и выше. SSD стремительно догоняют по объему HDD, и уже на момент написания статьи на рынке представлены модели объемом 15ТБ.

У твердотельных накопителей есть существенный минус, по сравнению с жесткими дисками, это ресурс перезаписи. Существуют 2 метрики расчета ресурса:

TBW (Total Bytes Written) – суммарный объем, который диск способен записать, гарантированный производителем.

DWPD (Disk Write per Day) – количество перезаписи полного объема диска в день в течении гарантийного срока.

Ресурс современных SSD измеряется от десятков терабайт до нескольких петабайт, и при выборе SSD нужно понимать задачу, которую будет выполнять накопитель.

В отличии от HDD, где максимальная скорость чтения и записи измеряется парой сотней мегабайт в секунду, самый хилый SSD на рынке будет иметь от 500МБ/с, а шустрые до 5ГБ/с и да выше.

Помимо скорости чтения и записи важным показателем является IOPS (аббревиатура от англ. input/output operations per second — количество операций ввода-вывода в секунду; произносится как «ай-опс») — количество операций ввода-вывода, выполняемых системой хранения данных, за одну секунду. Для сравнения простые HDD имеют ~100 IOPS, серверные 15к диски ~200 IOPS, ограничение заключается в механике. SSD могут иметь сотни тысяч и миллионы IOPS, в этом их не малое преимущество в производительности.

Производительные SSD обладают большим выделением тепла, рабочая температура может достигать 70-80 градусов.

SSD накопители могут быть выполнены в стандартных форм-факторах 3,5” и 2,5” c интерфейсами SATA и SAS с питанием через sata power connector, точно такими же, как HDD. Но пропускная способность данных интерфейсов и медлительность протоколов передачи данных стали «узким горлышком» и тут производители решили задействовать линии PCI-e, пропускная способность которых 8Гбит/с (1ГБ/с).

Разъем M.2 может поддерживать Sata и PCI-e (4 линии) интерфейсы, при этом есть возможность потери одного разъема sata на материнской плате, в зависимости от материнской платы. На современных материнских платах может не быть разъема M.2, а может быть несколько с поддержкой NVMe. Так же существуют платы расширения PCI-e, на которых может быть несколько M.2. Форм-фактор данных дисков представляет собой узкую плату определенной длины, иногда с радиаторами, для топовых моделей. (Иногда высота радиатора не позволяет разместить платы расширения)

Разъем U.2, совместимый с SAS, так же реализован на PCI-e (4 линии) интерфейсе с поддержкой NVMe. Используется в серверах.

Существуют SSD выполненные сразу в форм-факторе плат расширения PCI-e.

Для SSD был придуман с нуля протокол доступа по шине PCI Express. NVM Express поддерживается некоторыми SSD c интерфейсом PCI-e, подключенных через m.2, U.2 или PCI-e, так же поддержка должна осуществляться материнской платой или контроллером, к которой подключен диск. Данный протокол обеспечивает получение низких задержек и обеспечение параллельного доступа к твёрдотельным накопителям с учётом параллелизма современных платформ, использующих многоядерные процессоры.

Существуют SSD, которые предназначены для ускорения системы. Это небольшие по объему SSD от Intel серии Optane выполненные в форм-факторе M.2 построенные на памяти 3D XPoint, которая быстрее и надежнее NAND. На этих SSD система размещает файлы, необходимые для загрузки ОС, а также файловую таблицу, ускоряя работу подсистемы хранения построенную на HDD.

Так же существуют SSD Intel Optane большего объема выполненные в форм-факторе 2,5” или карты расширения PCI-e, с интерфейсом PCI-e x4 через разъем U.2 или PCI-e, которые можно использовать как быстрые и надежные SSD, или как кэш RAID массива SATA/SAS дисков. Об этом я напишу в отдельной статье.

Про Intel Optane в формате Dimm модуля я писал в ЛикБезе про ОЗУ.

Главным преимуществом 3D XPoint является способность не терять производительность при постоянной многопоточной загрузке.

Предыдущие статьи:
ЛикБез#1: Процессоры для ПК
ЛикБез: Термоинтерфейс
ЛикБез#3: Материнские платы
Оперативная память
ЛикБез#5: Жесткие диски

Данный пост содержит вставки с Википедии. Приветствуется конструктивная критика и указание ошибок и неточностей в комментариях.