MLC или MLC 2D NAND
2d — это размещение ячеек в одной плоскости в двумерном пространстве (массиве), где у каждой ячейки два измерерния (две координаты), по-английски — 2 dimensions: широта и долгота, или, если хотите, ширина и длина.
3d — это N-совокупность 2d-слоев, где N — это количество слоев / т.е. трехмерное размещение ячеек: по ширине, длине, высоте.
чем больше слоев, тем лучше решается вопрос скорости записи.
чем больше слоев, тем более старый (более толстый) техпроцесс ячеек может быть реализован, что снижает стоимость памяти и проблему утечки памяти (зарядов).
Выбираем SSD: обзор вариантов на рынке и советы экспертов (2022)
Конечно, SSD различаются не только типом подключения и форм-фактором. Внутри тоже имеются существенные отличия. Мы начнем с технологий флэш-памяти.
SLC, MLC, TLC и QLC — что это такое?
Если посмотреть спецификации нескольких SSD, то они будут опираться на те или иные технологии флэш-памяти. Чаще всего упоминаются SLC, MLC, TLC, QLC и 3D-NAND. Первые четыре аббревиатуры указывают, сколько битов записываются в ячейку памяти. В случае Single Level Cell (SLC) речь идет об одном бите, у ячеек Multi Level Cells (MLC) мы получаем два бита, Triple Level Cells (TLC) — три бита. Наконец, Quadruple Level Cells (QLC) — четыре бита на ячейку. Строго говоря, MLC описывает все технологии за исключением SLC, поэтому иногда встречаются такие обозначение, как 2-bit MLC или 3-bit MLC.
Как можно догадаться по названию, разные типы памяти позволяют записывать разное число бит в ячейку. Поэтому для хранения одного и того же объема данных требуется больше ячеек SLC, чем TLC или QLC. Что приводит к соответствующему увеличению цены.
Однако и недостатки памяти с высоким числом битом на ячейку очевидны. Следует помнить, что для фиксации значения ячейки используются электроны (заряд). В случае SLC все просто — заряд либо есть, либо нет, что дает 2 1 состояний. С ячейками MLC мы получаем уже градации заряда, 2 2 состояний. Соответственно, с ячейками TLC и QLC число состояний увеличивается до 2 3 и 2 4 . В последнем случае речь идет о 16 состояниях, причем контроллер должен более точно программировать ячейку и корректно считывать состояние. Поэтому и производительность снижается по сравнению с SLC. Кроме того, ячейки памяти не вечные, чем они будут интенсивнее использоваться, тем меньше будет срок службы.
Но производители продолжают оптимизировать контроллеры и чипы памяти, поэтому и расчетный срок службы накопителей увеличивается. Например, в случае WD Red SN700 NVMe SSD емкостью 4 Тбайт производитель указывает расчетную нагрузку записи TBW 5.100 Тбайт, что в 1.275 раз превышает емкость. На практике обычный пользователь ПК вряд ли достигнет подобного уровня, но производители SSD продолжают повышать уровень TBW.
3D-память
Производители флэш-памяти уже несколько лет развивают концепцию 3D NAND, которая позволяет увеличить надежность и производительность. В отличие от планарной флэш-памяти 2D, ячейки памяти формируют трехмерную структуру. А 2D-память осталась уделом бюджетных накопителей.
В случае 3D NAND слои памяти накладываются друг на друга как в «бутерброде». В результате 96 слоев памяти позволяют уместить в 96 раза больше данных, чем в случае TLC SSD на планарной 2D NAND.
Что такое SLC-кэш?
Ключевым компонентом high-end накопителей является система кэширования. И здесь следует различать два типа: кэш DRAM и кэш (псевдо) SLC. В случае кэша DRAM на SSD устанавливается соответствующий чип оперативной памяти помимо NAND, с которым работает контроллер накопителя. Как правило, емкость DRAM составляет один гигабайт на терабайт хранения данных, в этой памяти кэшируются таблицы привязки. Конечно, современная NAND становится все быстрее, задержки продолжают снижаться, но DRAM пока что лидирует по скорости. В результате контроллер получает таблицы из DRAM максимально быстро, чем в случае хранения их на NAND. Бюджетные SSD кэшем DRAM не оснащаются, что следует учитывать.
Современная флэш-память может работать с высокой пропускной способностью, в том числе и TLC NAND, но ее все равно недостаточно, чтобы достичь насыщения интерфейса PCIe. Поэтому SSD оснащаются так называемым кэшем SLC, емкость которого зависит от объема накопителя. Запись в SLC-кэш, как можно догадаться по названию, идет в режиме SLC, то есть по одному биту в каждую ячейку. Емкость при этом расходуется нерационально, зато производительность записи самая высокая. После заполнения доступной емкости SLC-кэша запись производится уже в стандартном режиме TLC/QLC, что снижает производительность. Кроме того, если емкость SSD почти полностью заполнена, то и места для SLC-кэша не остается.
Срок службы SSD: насколько важны TBW и MTBF?
Технология флэш-памяти сказывается на сроке службы SSD. И здесь довольно часто используется термин «TBW».
За ним скрывается общий объем записанных байт (Total bytes to be written). Если верить спецификациям, у WD Red SN700 NVMe SSD емкостью 4 Тбайт мы получаем значение TBW 5.200 Тбайт. Таким образом производитель гарантирует запись 5.200 Тбайт информации на накопитель на протяжении его жизненного цикла. Важно отметить, что речь идет о минимальном значении. То есть SSD не выйдет из строя после достижения данного порога, на практике он выдержит намного большую нагрузку. В нашем форуме читатели приводят различные сведения, которые доказывают надежность SSD выше заявленного производителем результата.
Для профессиональных SSD, таких как WD Red SN700 NVMe SSD, подобный показатель воспринимается само собой разумеющимся, но и потребительские SSD сегодня радуют высокой надежностью. Возьмем для примера сравнительно недорогой WD Blue SN570 NVMe SSD емкостью 1 Тбайт и спецификацией TBW 600 Тбайт. Если вы переносите на SSD каждый день 20 Гбайт информации, то накопителя гарантированно хватит на 80 лет. Если же объем записываемой информации увеличить до 400 Гбайт, то срок службы составит 5 лет. Так что даже для энтузиастов значение TBW не составит проблем. Конечно, все несколько иначе выглядит в серверных сценариях, поскольку здесь профили использования могут отличаться. Но и для подобных сценариев есть оптимизированные решения на основе SSD.
Кроме TBW производители часто указывают надежность SSD в MTBF. Здесь речь идет о часах, которые накопитель может проработать до вероятного выхода из строя (по результатам тестов производителя).
2D NAND vs. 3D NAND
2D NAND and 3D NAND are two types of flash memory cell technology. Learn more about them, how they differ, and which one might work best for you.
2D NAND vs 3D NAND is a common question to ask when comparing technologies used in desktop and mobile storage. NAND flash memory is used for solid-state drive (SSD) technology to offer more reliable and faster storage in desktop computers and mobile devices. Depending on your goals, you can choose between the two technologies to build servers and backup devices.
3D NAND vs. 2D NAND: What’s the Difference?
3D NAND is the latest version of NAND technology, so it’s usually preferred over 2D. NAND flash storage technology uses cells stacked within the small chassis to give users a smaller storage component with better performance. 2D NAND devices place storage cells side by side. 3D NAND adds another layer and stacks cells vertically. By storing more cells within the drive’s chassis, 3D NAND provides more storage at faster speeds.
A 3D NAND flash storage device also provides more storage at a lower price than a 2D NAND device. In addition, the newer 3D NAND technology reduces power consumption and increases the speed at which the device can write data to cells.
Benefits of 3D NAND vs. 2D NAND
Because a 3D NAND flash device contains several more storage cells than a 2D NAND device, users get more storage capacity with the newer technology. SSDs have a limited life span, especially when they’re used in devices where several writes are performed. For every write, an SSD loses a bit of its life span. All SSDs have a limited life span, but the additional cells provide more write cycles with a 3D NAND device compared to a 2D NAND device.
For servers with smaller chassis, 3D NAND devices are preferred because they’re smaller. Server manufacturers have limited space to install hardware, and 3D NAND allows them to provide more storage for their users at a lower cost and without the 2D NAND space requirements. 3D NAND also uses less power, so it causes less drain on an uninterrupted power supply (UPS) battery.
When to Use 3D NAND
Using 3D NAND will lower costs and power consumption. It also has a longer life span and offers faster speeds. For most applications, 3D NAND is the clear winner. Newer servers might come with a 3D NAND storage device, but you can also buy them to install additional storage capacity in an existing server. If you’re looking for a new SSD, a 3D NAND device will be cheaper per gigabyte of storage and provide you with terabytes of storage capacity.
When to Use 2D NAND over 3D NAND
Older devices that have 2D NAND technology can be upgraded to the latest 3D NAND technology. The 3D NAND technology is newer, but you might already use older 2D NAND technology and want to recycle it for use in other applications. A good way to recycle your storage devices is to move the 2D NAND device to archive storage. The archive storage would still have a limited life span, but using it for simple archives would reduce writes to the number of times files are stored permanently until they’re needed for retrieval.
Conclusion
When shopping for more storage space, you can choose between 2D and 3D NAND technology. In most cases, 3D NAND is the best option for your applications, even if you’re installing storage for personal use. You may even want to replace older 2D NAND technology with newer 3D NAND so that you can take advantage of its lower power consumption and faster speeds.
Written By: Pure Storage
3D NAND флэш-память
3D NAND — это такой тип конструкции флеш памяти, при котором, по сравнению с двумерной NAND, добавляется третье измерение по вертикальной оси. Это не означает, что кристаллы складываются в стопку. Внутри каждого кристалла содержится много слоев ячеек памяти, расположенных один над другим. На той же площади, которую занимает один плоский сегмент ячеек памяти, можно расположить несколько вертикальных сегментов. Благодаря этой технологии отпала необходимость дальнейшего уплотнения ячеек, что позволило обойти литографический барьер и вернуться к использованию техпроцесса 30 или 40 нм, при значительном увеличении количества ячеек. Таким образом существенно возрастает объем памяти и скорость работы, а потребление энергии уменьшается.
2016: Рынок ждет 3D NAND flash
В 2016 году Intel и Micron Technology представят технологию 3D XPoint memory, также известную как Optane, которая увеличит производительность и надежность жестких дисков в тысячу раз по сравнению с существующей технологией NAND flash.
Не надо списывать со счетов NAND flash. Несмотря на то что все идет к тому что чип Optane и другие технологии хранения данных могут заменить дорогую DRAM для многих приложений, это будет недёшево в течении долгого времени. Поэтому пока остается возможность для дальнейшего продвижения NAND flash.
Samsung, Intel\Micron Technologies, Toshiba и другие верят что технология 3D NAND flash позволит увеличивать максимальный объем и снижать стоимость жестких дисков. В конечном счете, 3D NAND даже убедит потребителей в том, что SSD могут быть такими же доступными как HDD.
«Очень скоро flash память будет такой же дешевой как вращающиеся носители, — говорит Сива Сиварам, исполнительный вице-президент SanDisk.
Эти технологические успехи лишь последняя глава в долгой истории постоянно растущих потребностей в области хранении данных, которые заставляют инновации соответствовать новым требованиям.
Ранее в индустрии энергонезависимой памяти были достигнуты значительные успехи для увеличения максимального объема. Одноуровневая ячейка (SLC) NAND flash стала многоуровневой (MLC) NAND, где вместо одного бита на транзистор, хранилось два или три бита. Когда MLC NAND достигла своего предела с 10 нанометровым литографическим процессом, Samsung, а вслед за ней и Intel/Micron Technologies и Toshiba, представили 3D NAND flash, которая группировала NAND ячейки в виде структуры высотой до 48-и уровней. Производители flash памяти верят, что для них нет предела в росте.
Несмотря на то что 2D NAND подходит к пределу масштабирования из-за размера и ошибок литографии, группировка уровней для создания 3D NAND обходит эти трудности. Рисунок выше показывает один способ достижения 3D NAND. Горизонтально сгруппированные информационные линии вокруг центрального отверстия памяти представляют сгруппированные NAND биты. Эта конфигурация уменьшает требования к литографии. Центральное отверстие минимизирует смещение соседних битов, и общая плотность значительно увеличивается.
Небоскребы NAND flash вырастут за пределы 100 ярусов
Начиная с первой итерации, технология 3D NAND flash предлагала увеличение надежности от двух до десяти раз и в два раза большую производительность записи по сравнению с плоской NAND.
Более важно, однако, что 3D NAND устранила литографический барьер (который был у одноуровневой NAND), с которым столкнулись производители, как только уменьшили размер транзисторов ниже 15 нанометров. Меньший литографический процесс привел к ошибкам данных, так как биты (электроны) просачивались между тонкими стенками ячеек.
«Важно то, что ты не строишь эти 3D NAND небоскребы по одному этажу за раз. Мы знаем, как подняться от 24 уровней до 36, 48, 64 и т. д.», — говорит Сиварам. «Здесь нет физических ограничений. Что у нас есть сейчас в 3D NAND, это предсказуемое масштабирование на три и четыре поколения – нечто такое, чего у нас раньше никогда не было».
Технология 3D Xpoint, также известная как Optane, примерно в 1000 раз быстрее чем NAND; один чип может хранить до 128 Гигабит данных.
По состоянию на март 2016 года ожидается, что Samsung, SanDisk и Toshiba, Intel и Micron Technology могут создать 48-уровневый 3D NAND, который может хранить 256 Гбит (32 ГБ) на одном чипе. Хотя Samsung единственная компания, которая массово производит 48-уровневые чипы, остальные производители планируют вскоре запустить свои продукты. Российский рынок WMS-систем: оценки, перспективы и крупнейшие поставщики. Обзор TAdviser
SanDisk, по словам Сиварама, уже запланировала 3D NAND чипы с более чем сотней уровней.
«Мы не видим физического предела тому, как далеко мы можем зайти. Если я спрошу NAND производителей как далеко мы можем зайти, они не скажут мне что мы можем дойти до 96 или 126 уровней, и это будет физический предел»,- сказал Сиварам. «Это было нашей мечтой долгое время».
В то время как производственные мощности для создания 3D NAND намного более дорогие чем оборудование для производства плоской NAND или HDD – одна установка может стоить $10 млрд. – Сиварам утверждает, что со временем они оптимизируют стоимость по мере внедрения серийного производства.
Ценообразование — это ключевой момент
В то время как предприятия и потребители любят объем – чем больше, те лучше – цена чаще всего определяет выбор.
Intel и его партнер по разработке Micron Technology, работают над тем, что может стать революцией в индустрии энергонезависимой flash памяти: чип Optane – известный внутри Intel как 3D XPoint.
Хотя Intel предоставил мало информации о том, чем будет Optane, большинство экспертов в индустрии верят, что это разновидность резистивной RAM.
Двухуровневое изображение чипа резистивной RAM архитектуры 3D XPoint (Optane). Данная архитектура устраняет потребность в транзисторах для хранения битов и вместо этого использует решетку проводников, которые используют электрическое сопротивление для обозначения 1 или 0.
Резистивная RAM (ReRAM) способна осуществлять операции чтения и записи потребляя в 50-100 раз меньше мощности чем NOR flash, что делает ее идеальной для мобильных устройств – даже переносных.
ReRAM основана на концепции «резистора памяти», также известной как мемристор (memristor). Термин мемристор был введен ученым Леоном Чуа из университета Калифорния-Беркли в начале 1970-х.
До появления мемристора, исследователи знали только три базовых элемента цепи – резистор, конденсатор, и катушка индуктивности. Мемристор, который потребляет намного меньше энергии и предлагает большую производительность, чем предыдущие технологии, был четвертым.
На март 2016 года, единственная компания, поставляющая ReRAM продукты это Adesto Technologies. Она представила новый проводящий мостовой RAM чип (CBRAM) для устройств, ориентированных на аккумулирование энергии и работу от батареи, которые используются на рынке интернета вещей.
Микроскопическое фото профиля контура Resistive RAM, где тонкие проводящие нити пересекаются и соединяются с силиконовыми уровнями чтобы представить бит данных.
В то же время, Intel планирует предоставить свои Optane диски для пользователей персональных компьютеров в 2016 году. Разработанные совместно с Micron, новые диски, как предполагается, должны быть в 10 раз компактнее чем DRAM, и в теории в 1000 раз быстрее и надежнее чем NAND SSD.
С увеличенным в тысячу раз ресурсом NAND, диски Optane предоставят один миллион циклов чтения-записи, что означает, что новая память будет работать практически бесконечно.
«Она не такая быстрая как DRAM, поэтому она ее не заменит в большинстве чувствительных к задержке приложений, но у нее намного больше компактность и намного меньшая задержка по сравнению с NAND», — говорил Расс Мэйер, производственный директор Micron, в интервью Computerworld. «Если вы сравните насколько SSD быстрее по сравнению с HDD и насколько быстрее 3D XPoint по сравнению с традиционным NAND, это будет улучшение одного порядка»,- сказал Мэйер.
Intel продемонстрировала, что Optane диски работают примерно в семь раз быстрее чем существующие SSD.
В 2016 году, Intel также планирует выпустить Optane диски для серверов, основанных на его новом процессоре Skylake.
На ряду с дисками Optane SSD, ожидается что ReRAM технология будет представлена как DIMM-чипы которые вставляются в слоты памяти.
Алан Чен, старший руководитель научно-исследовательского отдела в DRAMeXchange, подразделения TrendForce, сказал, что даже если технология ReRAM от Intel выйдет на потребительский рынок персональных компьютеров в 2016 году, ее использование будет ограничено топовыми продуктами из-за высокой стоимости.
«Влияние Optane на рынок SSD будет определятся ее ценой. В настоящее время, Optane продукты по-прежнему более дорогие чем широко распространенные NAND аналоги. Следовательно, они вначале повлияют только на рынок самых дорогих SSD», — уверен Чен.
В 2015 году, Hewlett-Packard и SanDisk анонсировали соглашение о совместной разработке Storage Class Memory (SCM) ReRAM которая может заменить DRAM и которая должна быть в 1000 раз быстрее чем NAND flash.
Стартап Knowm в Мехико также работает над производством мемристоров.
Мемристор компании Knowm может позволить создать умные компьютеры, которые будут подражать работе человеческого мозга.
Новый мемристор может привести к созданию умных компьютеров имитируя реакции человеческого мозга.
Мемристоры компании Knowm разработаны для имитации человеческого мозга, в котором синапсис соединяет два нейрона. Эти нейроны становятся сильнее по мере того как между ними проходят электрические сигналы. Похожим образом, обучение и удержание информации в мемристорах Knowm определяется характеристиками потока данных и электрическим током.
Чен раскрыл информацию о том, что Samsung также работает над технологией похожей на Optane от Intel, которая инкорпорирует производство DRAM и NAND. Samsung, однако, отказался это комментировать.
Смотрите также
- DRAM-память (мировой рынок)
- Энергонезависимая память (NVRAM Non Volatile Random Access Memory)
- Сегнетоэлектрическая оперативная память (Ferroelectric RAM, FeRAM, FRAM)
- ReRAM — Резистивная память случайного доступа
- MRAM (magnetoresistive random access memory, магниторезистивная память с произвольным доступом)