Szybkie, ciche i nie греющиеся dyski SSD już dawno stały się znane składnikiem domowych komputerów PC nawet średniego poziomu. Oto tylko stosunkowo wysoka cena za gigabajt miejsca zmusza nadal wyposażyć nawet “postępowe” konfiguracji starymi dobrymi HD na jeden i więcej terabajtów – oprócz szybkiego półprzewodników gdzie o mniejszej pojemności. W tym przypadku, jeśli rozwiązanie problemu ograniczonej liczby cykli nadpisywania u komórek pamięci flash trzeba czekać jeszcze sporo czasu – do wdrożenia do produkcji takich technologii jak FRAM lub coś bardziej nowego, a 3D XPoint zapowiada niech i szybciej, ale dużo droższe, to sposobów na zwiększenie ilości dysków bez znaczącego ich wzrostu wydaje się być dość znane. Powiedzmy, dwa lata temu obiecano nam właśnie do końca 2016 roku SSD o pojemności 10 TB i więcej. Czy warto nadal się doczekać tych nowości w krótkim czasie?
Nowa technologia, przedstawione Samsung w sierpniu 2013 roku, a następnie, w marcu 2015 roku, a Intel i Micron, nazywa się 3D NAND (lub 3D V NAND) i różni się, jak widać z nazwy, trójwymiarowej strukturze układu. W bardziej znanego pamięci flash do przechowywania danych służą tranzystory z pływającą pokrywą, którym przypisywana wartość naładowania “1” lub “0”, – znajdują się one w komórkach obok siebie, i obecnie gęstość takiego ich rozmieszczenia osiągnęła już fizyczne ograniczenia skalowalności – w pełnej zgodzie z prawem Moore ‘ a (zgodnie z którym, jak wiadomo, liczba tranzystorów umieszczonych na krysztale układu scalonego, co dwa lata podwaja się). Jeśli w 2004 roku techniczny proces wynosił 90 nm, to do 2015 r., kiedy zbliżył się do wartości mniejszej niż 15 nm, na drodze “szeroki” rozwoju powstała problemem nie do pokonania: w miarę zmniejszania rozmiaru komórek wytchnienia i ścianki między sąsiednimi komórkami – co prowadzi do zwiększenia prawdopodobieństwa wycieku elektronów, zwłaszcza w przypadku tańszych многобитными komórkami MLC i TLC. Już penetracja na poziomie 13 nm może oznaczać wymierne straty nie tylko niezawodność, ale i w szybkości pracy pamięci.
Struktura “płaskiej” pamięci NAND flash
Jak nietrudno się domyślić, jako rozwiązania problemu dalszego powiększania “płaskich” komórek nasuwa tłumaczenie ich w przestrzenny, trójwymiarowy obszar: pomysł jest dość oczywisty i nie jest wcale taka nowa. Kilka laboratoriów uczelni eksperymentowali z 3D-układy jeszcze w latach siedemdziesiątych i w latach osiemdziesiątych XX wieku, jednak większych sukcesów to osiągnięte nie było: придумываемые nowe technologie wymagały egzotycznych materiałów lub nietypowych rozwiązań projektowych, a pilne potrzeby w ich konstruowaniu nie było. Główny problem istniał w tym czasie poziom rozwoju technologii polegał na tym, że kryształy potrzebne do tworzenia wysokiej jakości tranzystorów, udało się umieszczać tylko w górnej warstwie krzemowego podłoża – przestrzeń nad tą podstawą można było używać tylko dla połączeń lub do nadania całej konstrukcji odpowiedni poziom wytrzymałości.
Jednak już do końca tysiąclecia konieczność aktualizacji tradycyjnej, płaskiej pamięci flash stał się oczywisty – w 1998 roku przez dwóch profesorów uniwersytetu Stanforda, weterani branży Mark Johnson i Thomas Lee, założyli specjalnie do tworzenia trójwymiarowych urządzeń półprzewodnikowych firmy Matrix Semiconductor. Jako źródło inspiracji dla przezwyciężenia starych problemów udało się przy tym ciekłokrystalicznych monitorów, reprezentujące stany warstwy tranzystorów cienkowarstwowych. O pierwszych udanych wynikach pracy zespołowej Czy i Johnsona było wiadomo już w 2002 r., kiedy został ogłoszony pionowa struktura układu pamięci, która może przechowywać informacje nie mniej niż 100 lat. Matrix поясняла, że wcale nie pretenduje na miano pioniera-wynalazcy 3D-chipset, ale stanowczo zamierza stać się pierwszą firmą, która doprowadzi te pomysły do komercyjnej produkcji w dużych ilościach. Przy tym podkreślił, że przejście na trójwymiarową pamięć oznacza nie tylko zmniejszenie wielkości, w porównaniu z istniejącymi opcjami DRAM, SRAM, flash i Mask ROM, ale i znaczne obniżenie kosztów.
“Башенная” struktura 3D pamięci z kilkoma warstwami tranzystorów
Zresztą, pierwsze komercyjne 3D-chipy pamięci udało się wydać w masowych ilościach tylko w lecie 2004 roku, na mocy produkcyjnych tajwanu fabryki TSMC i dzięki inwestycjom, otrzymanym od Nintendo w wysokości 15 mln usd. Układy wykonywane w technologii 0,15 mikrona dla podstawowych warstw i 0,13 µm – dla kolejnych. Matrix z dumą stwierdził, że używał tylko standardowe materiały i obniżyć cenę karty pamięci kilka razy – jednak dość niemiłą niespodzianką było to, że “3D ” Memory” była dostępna tylko do jednokrotnego zapisu – a bo mogła być wykorzystana tylko jako ROM i zainteresować chyba, że producenci gier i innego oprogramowania dla platform mobilnych.
Oczywiście, twórcy niech i ograniczony pod względem funkcjonalności, ale perspektywicznego i taniego produktu nie zamierzali na tym poprzestać, ale już w 2005 roku Matrix Semiconductor została nabyta za 238 mln usd). przez firmę SanDisk, объявившей o swoich planach przekształcenia ROM do pamięci wielokrotnego zapisu. Jednak nowy właściciel natychmiast wyprowadził ROM z rynku, pomimo szybko popyt – według niektórych informacji, za miesiąc do zamknięcia Matrix zdążyła odebrać milion egzemplarzy swojej nowości. Być może cały sekret był w tym, że 3D Memory rywalizować pod tym względem z własnym tylko że przedstawiających produkt SanDisk – Grūvi Card, również предназначавшимся do jednokrotnego zapisu i do sprzedaży muzyki, filmów i gier użytkownikom urządzeń mobilnych?
Kryształy tranzystorów Matrix Semiconductor
Jak by nie było, ścieżka takich sprzedaży znalazł się w końcu ślepa, a o 3D pamięci praktycznie nic nie było słychać, aż do 2013 roku, kiedy kolejnym “pionier” wystąpiła Samsung, ogłaszając o rozpoczęciu masowej produkcji dysków SSD w technologii 3D V-NAND (od “Vertical NAND), 128-Гбитных żetony na 24 warstwy tranzystorów. Jak opisano w ogłoszeniu, nowa pamięć pozwala na zapis i odczyt dwa razy szybciej, zapewniając znacznie większą czas trwania bezpieczeństwo informacji i zużywa 50% mniej energii. Osiągnąć taki wynik i pokonać stare baby choroby trójwymiarowej pamięci – udało się dzięki zastosowaniu nie tradycyjnej technologii tranzystorów z pływającą pokrywą, a pamięci z pułapką ładowania (Charge Trap Flash), po raz pierwszy użytej AMD w 2002 roku i nawracającym Samsung w cylindryczny kształt. Do przechowywania elektronów wykorzystuje folia azotku krzemu, co zwiększa niezawodność – ścianki komórek są dużo bardziej “grubych” i dlatego nie są tak podatne na wycieki, – tak i procent produkcji używalna kryształów.
Schemat pionowej struktury 3D V-NAND: kawałek z ośmiu warstw. Na czerwono oznaczone są przewodzące warstwy polikrystalicznego krzemu, niebiesko – izolatory z dwutlenku krzemu. Będzie oznaczona kółkiem prywatna komórka pamięci
Jednak masowa produkcja V-NAND nieco się opóźni – i pozwolił innym producentom układów ogłosić o swoich pracach. Najbardziej interesujący był wspólny zapowiedź od Intel i Micron Technology, jeszcze w 2006 roku, którzy stworzyli wspólne przedsięwzięcie w celu opracowania i produkcji pamięci. Do tego czasu technologia pozwoliła na umieszczanie w chipie już 32 warstwy tranzystorów – w 256-Гбитных komórkach MLC lub 384-Гбитных TLC – a bo i obiecać ci najbardziej SSD standardowego 2,5-calowego formatu z ilościami w ponad 10 TB.
Struktura trójwymiarowej pamięci Micron
W praktyce sprawa tradycji jest nieco mniej różowo: od głośnych zapowiedzi przed pojawieniem się w sprzedaży produktów z równie przyjemne dla oka metki i TTX przebiega nie tak mało czasu – jeśli do tego ostatniego to w ogóle dochodzi. Jeden z niewielu wad technologii 3D NAND jest na wysokim poziomie dokładności, który należy osiągnąć w produkcji, ponieważ teraz muszą dostosować odpowiednią lokalizację każdego pionowego “słupka” z komórek pamięci w jednej matrycy. Oczywiście, mistrzów w rodzaju felg na 15 TB Samsung za $10 tys lub około czterokrotnie droższe 60-терабайтный gigant Seagate – póki co raczej eksponatów, odległe od wcielenia w czasie (tym bardziej masową produkcję.
Wśród dostępnych samej propozycji – na przykład, dyski SSD Samsung serii 850 PRO, wydane jeszcze w zeszłym roku, które niech i dumnie oznaczone jako “pierwsze na świecie urządzenia konsumenckie na V-NAND”, ale dostępne są w bardziej lub mniej znanych konfiguracjach od 128 do 2048 GB z prędkością sekwencyjnego odczytu/zapisu do 550/520 MB/s). Ceny w krajowej sprzedaży detalicznej osiągają około od 100 do 1000 dolarów za młodszą i starszą model odpowiednio – że mimo wszystko jest znacznie wyższa czym proszą o lekko gorsze w specyfikacji “dwuwymiarowe” modelu. Wraz z tym, w arsenale firmy jest gama dostępnych modeli na bazie трехячеечной struktury TLC V-NAND flash – Samsung 850 EVO, które są tylko nieco droższe od dysków z tradycyjnym kolorem. Ponadto, niedawno firma wprowadziła na rynek nowe serie NVMe ssd w formacie M. 2 jest już w bazie 48-warstwowych układów. Samsung 960 Pro oparte są na MLC V-NAND i mają imponujące deklarowane cechy: 3500 MB/s dla odczytu, 2100 MB/c dla liniowej wpisów. W modelach Samsung 960 EVO na TLC V-NAND wskaźniki nieco skromniejsze, ale to też imponujące 3200 MB/c i 1900 MB/s dla odczytu i zapisu, odpowiednio.
Trójwymiarowy chip Samsung
Na początku września firma Intel zaprezentowała nowe rodziny SSD. W “мэйнстримной” serii 600p pojawiają się dyski oparte na 32-warstwowych komórek TLC o pojemności 128-1024 GB, prawda deklarowane prędkości już bardziej interesujące: do 1800 MB/s odczyt i do 560 MB/s zapisu. Cena ich w stanach ZJEDNOCZONYCH waha się od 68 do 350 dolarów – nie jest najwyższa, ale i cieszyć się póki co szczególnie jak nie ma nic.
Nowa seria dysków SSD od Intela – póki co bez większych zewnętrznych przyjmie
Mimo wszystko głośne marketingowe słowa, 3D NAND niech nie rewolucja, ale ważny etap rozwoju flash układów. O olśniewających sukcesach i o masowym rozpowszechnianiu nowej technologii mówić jeszcze za wcześnie, ale na uwagę zasługuje już choćby tym, że rozwiązuje problem skalowania – i w teorii pozwala prawem Moore ‘ a “działać” i dalej. Całkiem prawdopodobne, że nawet nie jest w niedalekiej czasu, ale na naszych półkach jednak pojawią się i многотерабайтные SSD w przystępnych masowego użytkownika cenach. Jednak, jak w przypadku każdej ewolucji, wcale nie jest jednak możliwe, że do tego czasu w świecie pamięci flash nastąpi prawdziwa rewolucja – powiedzmy, wygląd atomowej pamięci, według badań w stanie osiągnąć gęstości 502 terabitów na cal kwadratowy, w porównaniu z 1,34 do współczesnych dysków twardych lub 0,059 u Blu-ray. A i jeszcze coś równie imponujący…