Предлагаем изучить плюсы и минусы NAND, а также подобрать оптимальный SSD из общего каталога, воспользовавшись фильтрами по типам памяти.

Что такое NAND-память?

NAND — это тип энергонезависимой флеш-памяти, которая широко используется в различных устройствах для хранения данных (SSD, USB-флешки, карты памяти для смартфонов, фотокамер). Изначально она вмещала один бит информации, но стремление к увеличению объемов хранилищ при сохранении габаритов устройства привело к закономерному развитию технологий в этой области. За последние 10 лет появилось несколько поколений многобитной памяти, которая позволила уплотнить данные и сделать накопители доступными для всех пользователей. Производители также работают в направлении уменьшения размера транзистора. Изначально каждая ячейка занимала около 90 нм, а современный показатель не превышает 20 нм. Главной проблемой NAND остается ограниченный срок службы, который исчисляется количеством циклов перезаписи ячеек. Долговечность зависит от интенсивности использования, но даже бюджетные накопители способны работать годами без сбоев.

SSD-накопители с 3D NAND памятью

Отличия и сфера применения TLC, QLC, MLC, SLC

Если не вдаваться в сложные технические подробности, то типы памяти отличаются основными характеристиками — емкость, быстродействие, срок службы и стоимость.

Многие заблуждаются, считая поколение QLC наиболее продвинутым. У каждого вида есть свои преимущества и недостатки, которые делают NAND подходящей под определенные задачи. Для удобства сравним базовые характеристики всех типов:

Сравнительная таблица характеристик типов NAND-памяти
SLC (1-е поколение, 1 бит на ячейку) MLC (2-е поколение, 2 бита на ячейку) TLS (3-е поколение, 3 бита на ячейку) QLS (4-е поколение, 4 бита на ячейку) PLS (в разработке, 5 бит на ячейку)
Емкость маленькая средняя большая большая очень большая
Быстродействие очень высокое высокое среднее низкое низкое
Срок службы очень высокий средний средний низкий низкий
Стоимость очень высокая средняя средняя низкая минимальная

SLC (Single Level Cell, одноуровневая) — память, которая вмещает только 1 бит данных. Таким образом, если разместить на определенной площади 10 соответствующих транзисторов, то можно сохранить всего 10 бит информации. SLC является очень дорогой и самой эффективной памятью, которая применяется в военной, научной, промышленной сферах, где требуется высокое быстродействие и отказоустойчивость. Она позволяет переписать каждую ячейку 100 000 раз и гарантирует быстрый доступ к каждой из них независимо от нагрузки.

MLC (Multi Level Cell, многоуровневая) позволила увеличить объем накопителей вдвое и хранить в каждом транзисторе 2 бита данных. Несмотря на более сложную конструкцию, устройства стали дешевле, но скорость доступа к информации тоже немного упала, как и время наработки на отказ (10 000 циклов). Название до сих пор вызывает дискуссии, так как логичней было бы использовать аббревиатуру DLC (Dual Level Cell). Получила распространение в серверах и среди энтузиастов за счет хорошего баланса между быстродействием / надежностью / ценой.

TLC (Triple Level Cell, трехуровневая) является наиболее популярной NAND-памятью в 2024 году и, скорее всего, такой останется в ближайшие пару лет. Вмещает в одном транзисторе 3 бита данных. Она обеспечивает оптимальный баланс цена/качество. Стоит отметить, что существует неформальное разделение TLC-накопителей на потребительские и корпоративные. Последние более качественные и оснащены продвинутыми технологиями оптимизации. Для игровых ПК и серверов важнее срок службы и быстродействие, поэтому тут выигрывают корпоративные TLC. Скорость чтения данных (при подключении через PCIe) может превышать 7000 МБ/с, а записи — 6000 МБ/с. Надежность устройств с такой памятью не самая высокая, но обычно производители дают гарантию на 3 – 5 лет, а фактический срок службы гораздо больше даже при условии ежедневной перезаписи 50 – 100 ГБ информации. Потребительские TLC более скромные и доступные по цене. Быстродействие на запись и чтение у них около 2000 МБ/с, чего более чем достаточно для большинства задач в течение многих лет. Но высокая скорость сохраняется только при обработке небольших объемов данных, а потом происходит значительное снижение. Стоит отметить, что долговечность во многом зависит от общего объема накопителя (больше – лучше) и интенсивности эксплуатации (меньше – лучше). Максимальный срок службы — 3000 циклов перезаписи.

QLC (Quad Level Cell, четырехуровневая) — память, способная хранить 4 бита данных в каждой ячейке. С одной стороны, такая реализация позволила увеличить на 50% (в сравнении с TLC) объем накопителей, но негативным фактором стал регресс в плане быстродействия и срока службы (1000 циклов). По этой причине QLC NAND позиционируется как эффективная и недорогая замена устаревшему жесткому диску (HDD). Устройства ориентированы на домашнее применение в ПК и ноутбуках без длительных нагрузок на SSD, так как после обработки нескольких гигабайт данных скорость критически снижается.

SSD с TLC памятью

Чем 3D NAND лучше 2D NAND?

Развитие многоуровневых ячеек в определенный момент достигло своего предела по техническим причинам:

  • Во-первых, дальнейшее уменьшение транзисторов (менее 15 нм) привело бы к утечке заряда и негативному влиянию на соседние слоты памяти.
  • Во-вторых, двумерное линейное расположение ограничивается габаритами, ведь никому не хочется носить с собой флешку или диск на 1 ТБ размером с кирпич.

Поэтому производители начали искать способы модернизации планарной структуры 2D NAND. Первое решение в виде трехмерного массива было представлено компанией Samsung еще в 2013 году. Новая компоновка 3D NAND позволила наращивать ячейки памяти не только в длину и ширину, но и в высоту.

Одновременно с этим был разработан новый подход к управлению зарядом — плавающий затвор заменили на электронную ловушку. Обновленные алгоритмы доступа к данным позволили значительно повысить быстродействие и срок службы современных накопителей. Стоит отметить, что мировые производители памяти используют собственные подходы и структуры для реализации 3D NAND. Разработка Samsung получила название V-NAND, а Toshiba и SanDisk выбрали BiCS (Bit Cost Scalable). Компании Micron и Hynix решили не выделяться, поэтому используют стандартное наименование. На сегодняшний день структура 3D NAND насчитывает около 300 слоев транзисторов, что позволяет размещать в компактных матрицах терабайты данных. При этом, энергоэффективность накопителей выросла, а нагрев компонентов значительно снизился.

SSD с MLC памятью

Перспективы дальнейшего развития флеш-памяти

Как мы уже выяснили, экспериментировать с техпроцессом транзисторов не имеет смысла, так как это приведет к повышению брака производства и снижению надежности хранилища. Поэтому компании делают ставку на прогресс в вопросах наращивания емкости и оптимизации алгоритмов доступа к данным.

Уже сейчас ведутся разработки PLS 3D NAND (Penta Level Cell, пятиуровневая), которая в теории позволит размещать 5 бит в каждой ячейке. Однако практическая реализация QLC показывает, что такой подход не будет рентабельным, если не решить проблему снижения производительности. Если говорить понятно, то в одноуровневой SLC контроллер подает конкретное напряжение на ячейку и сразу получает доступ к данным. В случае с QLC потребуется обеспечить один из 15 вариантов напряжения, что значительно снижает скорость обращения к памяти. А для PLS цифра возрастает до 31, что ведет не только к задержкам, но и повышенному износу транзисторов.

Производителям уже удалось решить многие проблемы быстродействия флеш-памяти с помощью технологий. Хорошими примером является протокол обмена данными NVMe, который стал почти стандартом для SSD. Оснащение буферной памятью DRAM гарантирует стабильно высокую скорость записи больших объемов информации и доступ процессора к ней напрямую, минуя ОЗУ. Хотя такой подход все еще дорогостоящий и применяется больше для бизнеса. А для потребителей разработан SLC-кэш, который использует свободные ячейки памяти накопителей для промежуточной однобитной записи, что ускоряет быстродействие при обработке небольших массивов данных.

Одна из китайских компаний Yingren Technology недавно анонсировала новый контроллер со структурой RISC-V, который решает проблему перегрева и троттлинга. Он будет ориентирован на потребителей и выделяется минимальной стоимостью. Максимальный объем таких SSD будет достигать 8 ТБ.

Южная Корея весной 2024 года сделала прорыв в области развития самой структуры ячейки, представив миру память со сменой фазы (PCM). Принцип работы основан на изменении состояния вещества — кристаллизованное или аморфное. Но разработка требует решения проблем с энергоэффективностью, так как преобразование требует значительных затрат электричества и сопровождается тепловыделением. Да и сам процесс производства достаточно дорогой, поэтому обычным потребителям надеяться на такие инновации в ближайшее время не стоит.