Основы SSD: разбираемся в технологиях твердотельных накопителей

В стремительно развивающемся мире цифровых технологий немногие инновации так кардинально изменили ландшафт вычислительной техники, как твердотельные накопители (SSD). Появление SSD ознаменовало собой важный этап в стремлении к более быстрым и устойчивым решениям для хранения данных.

В этой статье мы с экспертами компании BAUM рассмотрим богатую историю SSD, выявляя ключевые моменты и значительные достижения, которые сформировали их развитие. Мы разберем физические основы работы SSD, объясняя внутреннюю структуру NAND-флэш памяти, роль контроллеров и основы работы важных системных функций SSD. Мы исследуем различные классификации SSD, анализируя многочисленные форм-факторы, интерфейсы и показатели производительности, которые определяют это разнообразное технологическое поле. И, наконец, мы обратим взгляд в будущее, очерчивая перспективы и возможные пути развития SSD-технологий.

История твердотельных накопителей (SSD)

История твердотельных накопителей (SSD) начинается в середине 20-го века, когда ученые и инженеры начали искать альтернативы механическим жестким дискам (HDD). Первые попытки создания твердотельных устройств хранения данных были сделаны в 1950-х и 1960-х годах. В то время использовались различные технологии, такие как магнитные и полупроводниковые запоминающие устройства.

Ранние Разработки

В 1970-х годах компания IBM представила устройство под названием «IBM System/370», которое использовало магнитоэлектрическую память (MRAM) на одном чипе. Это ознаменовало переход от памяти на магнитных сердечниках, которая использовалась с 1950-х, к кремниевым чипам памяти. Можно считать, что устройство было предшественником современных SSD и уже тогда демонстрировало преимущества твердотельной технологии (https://www.ibm.com/history/system-370).

Появление Флэш-Памяти

Революция в области SSD началась с изобретением флэш-памяти в 1980-х годах. В 1984 году инженер компании Toshiba Фудзио Масуока представил флэш-память типа NAND, которая стала основой для большинства современных SSD. NAND-флэш-память позволила значительно снизить стоимость и увеличить емкость твердотельных накопителей (https://spectrum.ieee.org/chip-hall-of-fame-toshiba-nand-flash-memory).

Развитие и Коммерциализация

В 1990-х годах началось активное развитие технологий SSD. Компания SanDisk представила первый твердотельный накопитель для потребительского рынка в 1991 году. Эти ранние SSD были дорогими и имели относительно небольшую емкость, но они уже тогда предлагали высокую скорость и надежность.

В начале 2000-х годов рынок SSD начал стремительно расти. Появились новые форм-факторы интерфейсы SSD адаптировались к традиционным SATA, SAS и PCIe, что снизило стоимость и упростило широкое внедрение новой технологии. В этот период многие крупные производители, такие как Intel, Samsung, Sandisk, Toshiba и Micron, начали активно разрабатывать и выпускать SSD для массового рынка.

Современные Тенденции

В последние годы развитие SSD достигло новых высот. Появились твердотельные накопители с емкостью в несколько терабайт, которые предлагают невероятные скорости чтения и записи данных. Технологии, такие как 3D NAND, позволили еще больше увеличить емкость и снизить стоимость SSD. Переход к протоколу NVMe поднял планку производительности в десятки раз по сравнению со стандартными протоколами работы с накопителями.

Взгляд в Будущее

Сегодня SSD продолжают эволюционировать.Переход от 2D планарной модели к трехмерной структуре кристалла NAND-памяти открыл путь к еще нескольким поколениям инноваций. Разрабатываются новые типы памяти на других физических принципах, которые обещают еще большую производительность и долговечность. Технологии NVMe и PCIe 4.0 открывают новые горизонты для скорости передачи данных, делая SSD неотъемлемой частью современных и будущих вычислительных систем.

История SSD — это история непрерывного инновационного прогресса, который привел нас к созданию высокопроизводительных и надежных накопителей данных. От первых экспериментальных устройств до современных мощных SSD, этот путь был полон важных открытий и достижений, которые продолжают формировать будущее хранения данных.

Устройство твердотельных накопителей (SSD)

Твердотельные накопители (SSD) основываются на передовых полупроводниковых технологиях, которые кардинально отличаются от традиционных механических жестких дисков (HDD). Основные компоненты SSD включают NAND флэш-память, контроллеры и интерфейсы, обеспечивающие взаимодействие с остальными компонентами компьютера. Понимание физики SSD требует глубокого взгляда на их внутреннюю архитектуру и механизмы работы.

NAND Физика: Транзистор NAND

В основе NAND флэш-памяти лежит транзистор NAND, представляющий собой полевой транзистор (MOSFET) с плавающим затвором. Этот транзистор является основным элементом ячейки памяти NAND. Давайте подробнее рассмотрим структуру и работу транзистора NAND.

Структура Транзистора NAND

Транзистор NAND состоит из следующих основных компонентов:

1. Затвор (Gate):
   • Управляющий Затвор (Control Gate): верхний затвор, который используется для управления работой транзистора.
   • Плавающий Затвор (Floating Gate): изолированный слой, который находится между управляющим затвором и каналом. Плавающий затвор может накапливать электроны, что позволяет хранить информацию. Именно наличие электронов и электрический потенциал, создаваемый ими, и определяет данные, хранящиеся в ячейке памяти.
2. Источник и Слив (Source and Drain):
   • Области, между которыми протекает ток через канал, управляемый затвором.
3. Канал (Channel):
   • Полупроводниковая область, через которую электроны перемещаются от источника к сливу или наоборот.
4. Оксидные Слои (Oxide Layers):
   • Изоляционные слои, которые окружают плавающий затвор, предотвращая утечку электронов.ъ

Принцип Работы Транзистора NAND

Работа транзистора NAND основывается на явлении туннелирования электронов через оксидный слой. Рассмотрим два состояния транзистора:

1. Запись (Программирование) Электронов на Плавающий Затвор:
   • Для записи данных на плавающий затвор подается высокое напряжение на управляющий затвор.
   • Это создает сильное электрическое поле, заставляющее электроны туннелировать через тонкий оксидный слой и накапливаться на плавающем затворе.
   • Когда электроны находятся на плавающем затворе, они изменяют пороговое напряжение транзистора, делая его проводящим или непроводящим в зависимости от количества накопленных электронов.
2. Стирание (Удаление) Электронов с Плавающего Затвора:
   • Для стирания данных прикладывается противоположное напряжение к управляющему затвору.
   • Это создает обратное электрическое поле, заставляющее электроны туннелировать обратно через оксидный слой и покидать плавающий затвор.
   • В результате пороговое напряжение транзистора возвращается в исходное состояние.

Чтение Данных

Чтение данных из ячейки памяти происходит путем подачи небольшого напряжения на управляющий затвор и измерения тока, протекающего через канал:

• Состояние «1» (High State):
  • Если электроны не находятся на плавающем затворе, транзистор проводит ток, что соответствует логической единице.
• Состояние «0» (Low State):
  • Если электроны находятся на плавающем затворе, транзистор не проводит ток, что соответствует логическому нулю.

Физика транзистора NAND является ключевым элементом, обеспечивающим работу твердотельных накопителей. Понимание принципов работы плавающего затвора, процессов записи, чтения и стирания данных позволяет лучше оценить сложность и эффективность современных SSD. Эти транзисторы продолжают развиваться, что открывает новые возможности для повышения плотности и производительности флэш-памяти.

Многоуровневые Ячейки (MLC, TLC, QLC)

В современных NAND флэш-памятях используются многоуровневые ячейки, которые могут хранить несколько бит информации на одну ячейку, изменяя количество накопленных электронов на плавающем затворе. Например:

• SLC (Single-Level Cell): хранит один бит информации на ячейку, что обеспечивает высокую скорость и долговечность.
• MLC (Multi-Level Cell): хранит два бита информации на ячейку, что увеличивает емкость, но снижает скорость и долговечность.
• TLC (Triple-Level Cell): хранит три бита информации на ячейку, еще больше увеличивая емкость и снижая производительность и срок службы.
• QLC (Quad-Level Cell): хранит четыре бита информации на ячейку, предлагая максимальную емкость при наименьших показателях скорости и долговечности.

Структура кристалла

• Планарная (2D) NAND: первые поколения флэш-памяти, где ячейки расположены в одной плоскости. Такая структура позволяла относительно просто создавать кристаллы памяти до перехода на литографический процесс ~15нм, после чего размер транзистора стал слишком маленьким, чтобы обеспечивать надежное хранение информации. Для дальнейшего прогресса индустрии пришлось перейти на значительно более сложный, но очень перспективный 3D NAND.
• 3D NAND: современные технологии, позволяющие расположить ячейки в нескольких слоях, что значительно увеличивает плотность хранения и снижает стоимость производства. Переход к трехмерной структуре кристалла позволил сделать несколько шагов назад в размере индивидуальной ячейки, что значительно увеличило надежность и долговечность памяти. Большая часть флэш-памяти, выпускаемой сегодня, представляет собой 3D NAND.

Эволюция NAND на высоком уровне представляет из себя движение в трех направлениях: увеличение количества бит на ячейку (переход MLC -> TLC -> QLC), увеличение количества “этажей” в 3D структуре кристалла, и наконец уменьшение линейных размеров ячейки памяти. Все это делается для того, чтобы уместить как можно больше ячеек памяти на кристалл, удешевляя гигабайты и терабайты хранения для покупателя.

Контроллеры

Контроллеры играют ключевую роль в работе SSD, управляя процессами чтения, записи и стирания данных. Основные функции контроллера включают:

1. Управление Памятью: распределение данных между ячейками флэш-памяти для оптимизации производительности и долговечности.
2. Выравнивание Износа: алгоритмы, распределяющие операции записи равномерно по всей памяти, чтобы предотвратить износ отдельных ячеек.
3. Коррекция Ошибок: системы обнаружения и исправления ошибок (ECC) обеспечивают целостность данных. По мере увеличения плотности хранения и уменьшения размеров ячеек памяти, ошибочных операций записи и чтения на физическом уровне становится на порядки больше. Для того, чтобы ошибки были исправлены до того, как данные покинут контроллер SSD, используются все более мощные алгоритмы коррекции ошибок, зачастую с очень большой избыточностью. По мере изнашивания ячеек, изолирующие свойства оксидного слоя уменьшаются, и ошибок при работе с ячейкой становится больше. Когда резерв свежих ячеек исчерпан, а алгоритмы коррекции уже не справляются с количеством ошибок, наступает износ SSD. После этого момента сохранность данных и производительность стремительно уменьшаются, и накопитель необходимо менять.
4. Garbage Collection: процесс очистки неиспользуемых ячеек для поддержания скорости записи

Все эти функции реализуются на основе структуры, называемой Flash Translation Layer (FTL), которая устанавливает связь между физическими адресами ячеек NAND и логическими блоками данных, с которыми работает операционная система.

Интерфейсы

Интерфейсы обеспечивают связь между SSD и другими компонентами компьютера. Наиболее распространенные интерфейсы включают:

1. 1. SATA (Serial ATA): распространенный интерфейс для подключения SSD к настольным и портативным компьютерам, обеспечивающий скорость передачи данных до 600 МБ/с.Также используется для загрузочных дисков в некоторых моделях серверов. В силу ограниченной пропускной способности интерфейса и низкого параллелизма исполнения команд, использование SATA SSD редко является удачным решением в среде, где важна производительность. С другой стороны, SATA является самым простым и распространенным интерфейсом, присутствующим практически в любом компьютере.
   2. SAS (Serial-Attached SCSI): традиционный интерфейс серверных дисков, характеризующийся относительно высокой пропускной способностью (12 Гбит/с в стандарте SAS-3), высокой надежностью и хорошей поддержкой со стороны серверных операционных систем. Ограниченная в скорости и отсутствие параллелизма при отправке данных не позволяет данному интерфейсу полностью раскрыть всю возможную производительность контроллера SSD и чипов памяти, но зачастую баланс между надежностью, приемлемой скоростью и широкой поддержкой делает SAS вполне рабочим и удобным выбором при построении СХД. Одна из ключевых особенностей — поддержка доступа по двум портам. За счет этого SAS SSD часто используются в дисковых полках, подключенных к нескольким контроллерам СХД.
   3. NVMe (Non-Volatile Memory Express): интерфейс, с нуля созданный для работы с твердотельными накопителями, как на основе NAND, так и в перспективе на других физических принципах. К моменту широкого распространения SSD, протоколы SATA и SCSI существовали уже более 30 лет и вобрали в себя массу функционала для работы с жесткими дисками и другими накопителями. Это утяжеляло создание эффективных драйверов для работы с SSD, а ориентированность SATA и SAS на механические накопители с одной рабочей очередью команд не позволяла в полной мере реализовать параллельную работу со множеством чипов NAND на SSD. В результате появился совершенно новый протокол NVMe, который изначально использовался для подключения SSD через PCIe шину, а потом стал более универсальным за счет появления сетевых вариантов NVMe-over-fabrics (NVMeoF). На сегодняшний день накопители NVMe могут работать на скоростях в несколько ГБ в секунду и обрабатывать сотни тысяч операций ввода-вывода в секунду (IOPS).

Заключение

История SSD — это история непрерывного инновационного прогресса, который привел нас к созданию высокопроизводительных и надежных накопителей данных. От первых экспериментальных устройств до современных мощных SSD, этот путь был полон важных открытий и достижений, которые продолжают формировать будущее хранения данных. В следующей части мы подробнее рассмотрим устройство SSD, их ключевые компоненты, а также основные различия между корпоративными и потребительскими накопителями.