Технологии флэш-памяти

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные гаджеты (англ. gadget — устройство), облегчающие жизнь, да что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они всего за 10-15 лет! Миниатюрные, легкие, удобные, цифровые… Всего этого гаджеты достигли благодаря новым микропроцессорным технологиям, но все же больший вклад был сделан одной замечательной технологией хранения данных, о которой сегодня мы и будем говорить. Итак, флэш-память.

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства. В этой статье мы попытаемся понять их устройство, принцип работы, а также рассмотрим различные варианты практического использования.

NOR

 

Поскольку память с такой организацией считается первой представительницей семейства Flash, с нее и начнем. Схема логического элемента, собственно давшего ей название (NOR — Not OR — в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ»), приведена на рисунке.

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения. Схема ячейки приведена на рисунке ниже.

Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал — поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, — нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки. Хочу также обратить ваше внимание на то, что в структуре флэш-памяти для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор), в то время как в энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи — от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

NAND

NAND — Not AND — в той же булевой математике обозначает отрицание «И». Отличается такая память от предыдущей разве что логической схемой.

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие — архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях 🙂 (а NOR — с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше — площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки (куда уж без них) заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр. Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных. Об этом и пойдет далее речь…

Где нужна память…

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

  1. считать в буфер блок информации, в котором он находится
  2. в буфере изменить нужный байт
  3. записать блок с измененным байтом обратно

Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение — здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т. п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе). Удачный пример такого использования — проект Gumstix: одноплатный компьютер размером с пластинку жвачки. Именно NOR-чипы обеспечивают требуемый для таких случаев уровень надежности хранения информации и более гибкие возможности по работе с ней. Объем NOR-флэш обычно измеряется единицами мегабайт и редко переваливает за десятки.

И будет флэш…

Безусловно, флэш — перспективная технология. Однако, несмотря на высокие темпы роста объемов производства, устройства хранения данных, основанные на ней, еще достаточно дороги, чтобы конкурировать с жесткими дисками для настольных систем или ноутбуков. В основном, сейчас сфера господства флэш-памяти ограничивается мобильными устройствами. Как вы понимаете, этот сегмент информационных технологий не так уж и мал. Кроме того, со слов производителей, на нем экспансия флэш не остановится. Итак, какие же основные тенденции развития имеют место в этой области.

Во-первых, как уже упоминалось выше, большое внимание уделяется интегрированным решениям. Причем проекты вроде Gumstix лишь промежуточные этапы на пути к реализации всех функций в одной микросхеме.

Пока что, так называемые on-chip (single-chip) системы представляют собой комбинации в одном чипе флэш-памяти с контроллером, процессором, SDRAM или же со специальным ПО. Так, например, Intel StrataFlash в сочетании с ПО Persistent Storage Manager (PSM) дает возможность использовать объем памяти одновременно как для хранения данных, так и для выполнения программного кода. PSM по сути дела является файловой системой, поддерживающейся ОС Windows CE 2.1 и выше. Все это направлено на снижение количества компонентов и уменьшение габаритов мобильных устройств с увеличением их функциональности и производительности. Не менее интересна и актуальна разработка компании Renesas — флэш-память типа superAND с встроенными функциями управления. До этого момента они реализовывались отдельно в контроллере, а теперь интегрированы прямо в чип. Это функции контроля бэд-секторов, коррекции ошибок (ECC — error check and correct), равномерности износа ячеек (wear leveling). Поскольку в тех или иных вариациях они присутствуют в большинстве других брендовых прошивок внешних контроллеров, давайте вкратце их рассмотрим. Начнем с бэд-секторов. Да, во флэш-памяти они тоже встречаются: уже с конвейера сходят чипы, имеющие в среднем до 2% нерабочих ячеек — это обычная технологическая норма. Но со временем их количество может увеличиваться (окружающую среду в этом винить особо не стоит — электромагнитное, физическое (тряска и т. п.) влияние флэш-чипу не страшно). Поэтому, как и в жестких дисках, во флэш-памяти предусмотрен резервный объем. Если появляется плохой сектор, функция контроля подменяет его адрес в таблице размещения файлов адресом сектора из резервной области.

Собственно, выявлением бэдов занимается алгоритм ECC — он сравнивает записываемую информацию с реально записанной. Также в связи с ограниченным ресурсом ячеек (порядка нескольких миллионов циклов чтения/записи для каждой) важно наличие функции учета равномерности износа. Приведу такой редкий, но встречающийся случай: брелок с 32 Мбайт, из которых 30 Мбайт заняты, а на свободное место постоянно что-то записывается и удаляется. Получается, что одни ячейки простаивают, а другие интенсивно исчерпывают свой ресурс. Чтобы такого не было, в фирменных устройствах свободное пространство условно разбивается на участки, для каждого из которых осуществляется контроль и учет количества операций записи.

Еще более сложные конфигурации класса «все-в-одном» сейчас широко представлены такими компаниями как, например, Intel, Samsung, Hitachi и др. Их изделия представляют собой многофункциональные устройства, реализованные в одной лишь микросхеме (стандартно в ней имеется процессор, флэш-память и SDRAM). Ориентированы они на применение в мобильных устройствах, где важна высокая производительность при минимальных размерах и низком энергопотреблении. К таким относятся: PDA, смартфоны, телефоны для сетей 3G. Приведу пример подобных разработок — чип от Samsung, объединяющий в себе ARM-процессор (203 МГц), 256 Мбайт NAND памяти и 256 SDRAM. Он совместим с распространенными ОС: Windows CE, Palm OS, Symbian, Linux и имеет поддержку USB. Таким образом на его основе возможно создание многофункциональных мобильных устройств с низким энергопотреблением, способных работать с видео, звуком, голосом и прочими ресурсоемкими приложениями.

Другим направлением совершенствования флэш является уменьшение энергопотребления и размеров с одновременным увеличением объема и быстродействия памяти. В большей степени это касается микросхем с NOR архитектурой, поскольку с развитием мобильных компьютеров, поддерживающих работу в беспроводных сетях, именно NOR-флэш, благодаря небольшим размерам и малому энергопотреблению, станет универсальным решением для хранения и выполнения программного кода. В скором времени в серийное производство будут запущены 512 Мбит чипы NOR той же Renesas. Напряжение питания их составит 3,3 В (напомню, хранить информацию они могут и без подачи тока), а скорость в операциях записи — 4 Мбайт/сек. В то же время Intel уже представляет свою разработку StrataFlash Wireless Memory System (LV18/LV30) — универсальную систему флэш-памяти для беспроводных технологий. Объем ее памяти может достигать 1 Гбит, а рабочее напряжение равно 1.8 В. Технология изготовления чипов — 0,13 нм, в планах переход на 0,09 нм техпроцесс. Среди инноваций данной компании также стоит отметить организацию пакетного режима работы с NOR-памятью. Он позволяет считывать информацию не по одному байту, а блоками — по 16 байт: с использованием 66 МГц шины данных скорость обмена информацией с процессором достигает 92 Мбит/с!

Что ж, как видите, технология развивается стремительно. Вполне возможно, что к моменту выхода статьи появится еще что-нибудь новенькое. Так что, если что — не взыщите 🙂 Надеюсь, материал был вам интересен.

www.ixbt.com

Nand Flash iPhone - что это, ошибки и как их исправить?

Всем привет! Буквально на днях встретил своего давнишнего приятеля. Мы разговорились, и он, со словами «Смотри с каким телефоном я сейчас хожу!», продемонстрировал свою старенькую кнопочную Nokia. Выяснилось, что на его iPhone стала постоянно «слетать» прошивка - пришлось отдать смартфон в сервисный центр. Казалось бы, обычное дело...

Однако, для приятеля оказался необычным тот перечь работ, которые будет проводить сервис. Полная диагностика, обновление программного обеспечения (при необходимости) и другие «обычные штуки» - здесь все стандартно и понятно. Главный же вопрос вызвала вот такая фраза мастера  - «скорей всего, надо перекатывать Nand Flash».

Далее с его слов:

Я, конечно, в сервисе не показал что не понимаю о чем речь - дескать и так все знаю без вас. Вы главное - делайте. Но пришел домой и сразу полез «гуглить» - а что это вообще такое, Nand Flash? И на фига его куда-то катать внутри iPhone?

Посмеялись с ним, разошлись, а я подумал - почему бы не написать коротенькую заметку на эту тему? Много времени это не займет, а людям, которые столкнулись с той же проблемой что и мой знакомый, станет чуточку понятней, что вообще происходит с их смартфоном. Подумал - сделал. Поехали!:)

Что такое Nand Flash в iPhone?

Это внутренняя память устройства. Да, да, то самое хранилище в котором постоянно исчезает место и которого очень часто не хватает владельцам iPhone на 16 GB.

Грубо говоря, Nand Flash в iPhone 7 32 GB это и есть те самые 32 GB внутренней памяти.

Расположена память на основной системной плате устройства и ни чем примечательным не выделяется - самый обычный чип.

Естественно, это никакая не флешка - нельзя разобрать iPhone, легко отсоединить Nand Flash, поставить другую и думать что все будет «ОК». Не будет. Хотя, стоит оговориться, что в некоторых случаях это все-таки возможно. Но об это чуть дальше. А пока переходим к неполадкам...

Причины неисправности

Вариантов не очень много, и все они, как правило «стандартные»:

  1. Падения устройства.
  2. Иные физические повреждения.
  3. Попадание жидкости.
  4. Брак.
  5. Джейлбрейк.

Здесь особо и расписывать нечего - понятное дело, что если устройство бросать и заливать водой, то это скажется на его работоспособности.

Хотя, отдельно все-таки отмечу такой пункт, как заводской брак - такое тоже очень даже возможно. Я был свидетелем подобной ситуации - iPhone только что куплен, а работать толком не работает - перезагружается, при восстановлении показывает ошибки и вообще ведет себя странно. Отдали в сервис, как итог - брак Nand Flash памяти и последующая замена устройства.

Симптомы неисправности Flash памяти iPhone

Каких-то четких и определенных симптомов у этой неисправности нет (на экране не выскакивает надпись - у вашего устройства проблемы с памятью), поэтому обо всем этом можно догадаться только по косвенным признакам:

  1. iPhone перезагружается при включении.
  2. Устройство «виснет на яблоке» во время загрузки.
  3. Постоянно «слетает» прошивка.
  4. При попытке восстановления iOS через iTunes появляются различные ошибки.

Кстати, об ошибках...

Ошибки iTunes, указывающие на неисправность Nand Flash

Восстановление прошивки через iTunes - самый верный способ борьбы с различными неполадками в работе устройства. Однако, если у iPhone существуют проблемы с Nand Flash памятью, то процесс восстановления может прерываться и сопровождаться следующими характерными ошибками:

  1. Error 21, 9, 2009, 4005, 14, 40, 4013 - все они могут говорить о неполадках с питанием памяти, замыканиях в цепях питания, а также различных проблемах с Nand.
  2. Из относительно «свежего», ошибка 0XE8000013 - указывает на неправильную прошивку микросхемы Flash памяти.

Но, важно помнить вот о чем - iTunes устроен таким образом, что одна и та же цифра ошибки может иметь несколько причин.

Например, ошибка 4013 может сигнализировать как о проблемах с самой микросхемой, так и о неоригинальности использования провода для подключения к ПК.

Как видите, разброс очень большой - от простого провода, до очень сложного ремонта. Поэтому, использовать этот перечень ошибок для предварительного анализа ситуации можно, а вот слепо доверять - нельзя.

Ремонт Nand Flash памяти - возможно ли это?

Возможно. Но, конечно же, не «в домашних условиях». Более того, далеко не все сервисные центры умеют проделывать эту операцию. Например, «в палатке на рынке» вам с большой долей вероятности помочь не смогут - там просто не будет необходимого оборудования. Да и навык, какой-никакой, должен быть.

В который раз отдельно замечу - если у вашего iPhone не закончился гарантийный срок (как это проверить?), то ничего выдумывать не нужно - сдайте его по гарантии. С большой долей вероятности вы получите взамен новое устройство.

Если с гарантией «пролет», а ремонт Nand Flash памяти все-таки необходим, то у сервисного центра есть два варианта исправления ситуации:

  1. Так называемая, «перекатка» (иногда еще называют «реболл») микросхемы памяти. Происходит отпайка чипа, зачистка его дорожек, и он припаивается обратно. То есть, если говорить грубо, процедура «вытащить-вставить»:)
  2. Полная замена Nand Flash. Отпаивается старая микросхема, а на ее место устанавливается новая. Казалось бы, так даже лучше - новая запчасть, все круто... Да. Но есть одно «но». Перед установкой нового чипа Nand его надо прошить. И здесь речь идет не об iTunes (тогда бы никаких проблем не было), а об использовании специального программатора и программного обеспечения.

Кстати, если говорить про оборудование для прошивки Nand Flash, то подобные программаторы достаточно разнообразны, но одна вещь их все-таки объединяет - цена. Все они стоят приличных денег - далеко не каждый может позволить себе такую штуку.

Какой вывод можно сделать из всего этого? Проблемы с памятью iPhone - это достаточно серьезная поломка, которую очень тяжело исправить самостоятельно. Но и безнадежной ситуацию назвать нельзя. Главное - найти хороший сервисный центр с грамотными специалистами и необходимым оборудованием. И тогда iPhone еще долго будет радовать вас своей работой!

P.S. Да уж, короткой заметки не получилось:) Впрочем, что есть, то есть - не удалять же теперь. Да и информация полезная - кому-нибудь да пригодится. Согласны? Ставьте «лайки», жмите на кнопки социальных сетей - поддержите автора! Он старался, честно. Спасибо!

P.S.S. Остались какие-то вопросы? Есть чем дополнить статью или хочется рассказать свою историю? Для этого существуют комментарии - пишите смело!

inewscast.ru

От NAND до NOR: что означают различные типы флэш-памяти? - TECHNODOR

Модернизация жесткого диска вашего компьютера на SSD - это фантастический способ придать новую жизнь старой машине (или сделать новую машину еще лучше), но вы можете заметить, что вы можете выбрать один из нескольких типов флэш-памяти.

Все аббревиатуры могут размываться вместе, но все, что вам действительно нужно знать, - это то, что большая часть памяти - это NAND; 2D и 3D относятся к способу расположения ячеек; и SLC, MLC, TLC и QLC относятся к тому, сколько бит (1, 2, 3 или 4) может удерживать каждая ячейка. Чем больше бит на ячейку, тем больше гигабайт вы можете получить за доллар, но он также становится медленнее и хрупким.

Чит-лист

  • NOR: читает быстро, долгий срок службы, медленная запись, дорогой. Довольно редкий.
  • NAND: читает медленнее, пишет быстрее, более длительный срок службы, дешевый. У вас, вероятно, есть это.
  • 2D NAND: оригинальная NAND, с ячейками, расположенными рядом друг с другом в одном слое. SLC, MLC и TLC все изначально являются 2D.
  • 3D NAND: Новая NAND, с ячейками, расположенными вертикально. Быстрее, более продолжительный срок службы, более высокая емкость и, в целом, лучше 2D NAND. MLC и TLC доступны в 3D.
  • SLC: память NAND с одним битом на ячейку. Самая быстрая, лучший срок службы, но также менее компактная и дорогая. В основном используется для предприятий.
  • MLC: память NAND с (обычно) двумя битами на ячейку. Более низкие скорости и более короткий срок службы, чем SLC, но более высокие емкости и дешевле. Средняя потребительская продукция.
  • TLC: память NAND с тремя битами на ячейку. Более медленная скорость, более короткий срок службы, более высокая производительность и дешевле. Бюджетная память, но не обязательно плохая.
  • QLC: память NAND с четырьмя битами на ячейку. Более высокие мощности, чем TLC, сопоставимы по большинству других фронтов. Неизданная (по состоянию на июнь 2018 года).


Два основных типа: NAND vs. NOR


NAND используется намного чаще, чем NOR. NOR лучше читает данные (таким образом, он быстрее запускает код), и он более продолжительный (100 000-1000000 циклов записи), но он медленнее записывает и стирает, он не такой компактный, и он дороже. Большинство вещей, которые вы используете, скорее всего, имеют NAND, а не NOR.


3D/Вертикальный NAND против 2D/Однослойный NAND


Разница в том, что это звучит так: 2D NAND - это один уровень ячеек памяти , а 3D NAND - несколько уровней. При прочих равных условиях 3D лучше 2D с точки зрения скорости выдержки и потребления энергии. Прошло несколько лет с момента его выпуска, но 3D NAND заняла много рынка флэш- памяти.


NAND - SLC (одноуровневая ячейка)


SLC - это самый простой тип памяти NAND, содержащий только один бит на ячейку. Тем не менее, он может пройти впечатляющие 90-100 000 циклов записи и значительно быстрее, чем другие. Это звучит здорово, но обычно это не обнаруживается в потребительских устройствах из-за его расходов и меньшей емкости.


NAND - MLC (многоуровневая ячейка)


Как следует из названия, MLC может хранить несколько (два, фактически) бита в одной ячейке, то есть вы можете упаковать больше памяти в одно и то же пространство. Это делает его более дешевым в производстве и покупке, поэтому, хотя он не такой быстрый или надежный (10 000 циклов записи с 2D NAND, до 35 000 с 3D ) в качестве SLC, он намного более популярен.


NAND - TLC (ячейка Triple Level)


Как предполагает название, TLC NAND может хранить три бита на ячейку, что дает ему большую емкость и делает его более дешевым за счет скорости и продолжительности жизни (2D TLC: около 300-1000 циклов записи, 3D TLC: 3000-15 000).


NAND - QLC (четырехъядерная ячейка)


По состоянию на начало 2018 года это фактически она практически не доступна, но Intel и Micron уже объявили, что они разработали её и выпускают. Точные спецификации пока недоступны.

Это совершенно новый вид технологии памяти , хотя точно, как это работает, пока еще не указано. Intel сохраняет свои R & D под обложками, но пока кажется, что XPoint может быть не намного лучше, чем NAND. Продукты, выпущенные до сих пор, были довольно разочаровывающими. Тем временем 3D NAND по-прежнему наш лучший выбор.


Вывод: что лучше?


Нет единого правильного ответа на вопрос «какой тип флеш-памяти лучше всего?», Поскольку у каждого разные потребности, и технология постоянно меняется. Различные приводы будут иметь разные функции, такие как контроллеры памяти, которые могут помочь смягчить износ ячеек и увеличить скорость чтения-записи, поэтому нет никакой гарантии, что 3D- MLC-накопитель всегда будет лучше, чем 2D-TLC-привод.

www.technodor.info

Что такое NAND флэш-память

NAND флэш-память была представлена ​​компанией Toshiba в 1989 году. Устройства, использующие на NAND флэш-память работают по такому же принципу, как жесткий диск: информация записывается страницами по 512, 2048 и 4096 байт. К ним еще добавляются блоки ECC checksum, что как правило, имеют размер 1/32 страницы. Эти страницы объединяются в блоки по 32, 64 и 128 страниц.

Особенность этой памяти в том, что запись выполняется по страницам, а стирать можно только целые блоки по 32, 64 и 128 страниц.

Эта память также требует специального управления битыми секторами с помощью программного обеспечения драйвера устройства, либо с помощью специального контроллера. (Например SD карточки используют ок).

Чтобы компенсировать биты, спонтанно отказывают во время нормального пользования устройством NAND использует ECC (error correcting code). Методы определения контрольной суммы и исправления ошибок (ECC) в памяти NAND обнаруживают ошибку, где «битый» один бит информации в блоке. Типичный ECC исправит однобитные ошибку в каждых 2048 битах (256 байтах), используя при этом 22 биты ECC кода, или 24 бита (в каждой 4096 битах (512 байтах)). При этом, блок обозначается как недобрый в таблице логического размещения, а все его содержимое (еще невредим) копируется в новый блок; таблица логического размещения нормальных блоков при этом перезаписывается. Если в памяти повреждены более чем 1 блок, тогда содержимое блока практически утрачен, и становится невозможно восстановить его содержание. Иногда невозможно выработать безошибочные устройства памяти NAND, поэтому большинство устройств выходят в продажу с уже запрограммированной таблицей плохих блоков от производителя. Это немножко уменьшает объем памяти, однако снижается также и ее стоимость.

Первый физический блок, который не содержит ошибок (блок № 0) всегда гарантирует свою читаемость, и не может быть поврежден. Поэтому все важнейшие указатели для распределения памяти и составление плохих блоков прибора размещаются внутри этого блока (обычно указатель на плохие таблицы блоков и т. Д.). Если прибор используется для загрузки ОС, тогда этот блок также должен содержать таблицу загрузки (Master Boot Record).

laptopsdaily.com

Nand флеш-память (nand flash memory)

Конструкция NAND — трехмерный массив. В основе та же самая матрица что и NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции затворных цепей в одном пересечении получается много. 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.

В основе NAND-архитектуры лежит И-НЕ алгоритм (на англ. NAND). Принцип работы аналогичен NOR-типу, и отличается только расположением ячеек и их контактов. Уже нет необходимости подводить контакт к каждой ячейке памяти, так что стоимость и размер NAND-процессора значительно меньше. За счет этой архитектуры, запись и стирание происходят заметно быстрее. Однако эта технология не позволяет обращаться к произвольной области или ячейке, как в NOR. Для достижения максимальной плотности и емкости, флеш-накопитель, изготовленный по технологии NAND, использует элементы с минимальными размерами. Поэтому, в отличие от NOR-накопителя допускается наличие сбойных ячеек (которые блокируются и не должны быть использованы в дальнейшем), что заметно усложняет работу с такой флеш-памятью. Более того, сегменты памяти в NAND снабжаются функцией CRC для проверки их целостности. В настоящее время NOR и NAND-архитектуры существуют параллельно и никак не конкурируют друг с другом, поскольку у них разная область применения. NOR используется для простого хранения данных малого объема, NAND - для хранения данных большого размера.

Нужно заметить, что существовали и другие варианты объединения ячеек в массив, но они не прижились.

Недостатки

Множество флэш-дисков и карт памяти выходят из строя по самым различным причинам.

Перечень именно технических неисправностей флэш-накопителей, в порядке убывания их распространенности, выглядит так:

  • логические неисправности

  • механические поломки

  • электрические и тепловые повреждения

  • сбои контроллера

  • сбои и износ флэш-памяти

  • конечное число циклов стирания и записи

В наше время основным недостатком устройств на базе флеш-накопителей, является очень высокое соотношение цена-объём, намного превышающий в сравнении с жесткими дисками в 2–5 раз. Поэтому объёмы флеш-дисков не очень велики, но в этих направлениях ведутся работы.

По оценкам сами производителей, современная флэш-память, в среднем, способна выдержать порядка 100000 циклов стирания/записи, хотя в ряде случаев заявляются куда более впечатляющие показатели - до миллиона циклов. Чтобы понять, почему возникает такое ограничение, необходимо хотя бы в первом приближении познакомиться с принципами работы этого типа носителей.

Разумеется, производители памяти принимают меры для увеличения срока службы твёрдотельных накопителей: в первую очередь, они связаны с обеспечением равномерности процессов записи/стирания по всем ячейкам массива, чтобы какие-то из них не были подвержены большему износу, чем другие. Один из способов - наличие резервного объёма памяти, за счёт которого при помощи специальных алгоритмов обеспечивается равномерная нагрузка и коррекция возникающих ошибок. Кроме того, выводятся из работы вышедшие из строя ячейки в целях предотвращения потери информации. В служебную область записывается также таблица файловой системы, что предотвращает сбои чтения данных на логическом уровне, возможные, к примеру, при некорректном отключении накопителя или при внезапном отключении электроэнергии.

К сожалению, с увеличением ёмкости микросхем флэш-памяти снижается и количество циклов записи/стирания, поскольку ячейки становятся всё более миниатюрными и для рассеивания оксидных перегородок, изолирующих плавающий затвор, требуется всё меньшее напряжение. Поэтому с проблемам сталкиваются не только владельцы флэш-накопителей очень маленького, но и очень большого объёма.

Однако, износ флэш-памяти ускоряется лишь в случае неправильного её использования - постоянного стирания и удаления небольших файлов. Кстати, в этом кроется причина якобы более низкой надёжности USB-флэш-драйвов по сравнению с карточками различных форматов. Всё дело в том, что, к примеру, в фотоаппаратах или в плеерах ёмкость карты заполняется полностью и постепенно, в то время как у флэш-драйвов нередко более "рваный" режим эксплуатации - "записал - стёр - записал". При этом в последнем случае, несмотря на все алгоритмы и технологии, повышенному износу подвергаются одни и те же участки микросхемы. Совет здесь может быть только один: старайтесь по возможности полностью заполнять флэш-драйвы и не удалять немедленно ставшие ненужными файлы - тем самым вы продлите срок службы накопителя.

Кроме того, обычные карточки флэш-памяти не рассчитаны на использование в качестве постоянного накопителя: не рекомендуется редактировать документы, базы данных непосредственно на "флэшке", работать с операционной системой, записанной в карточку памяти. Помимо преждевременного износа из-за постоянных процессов записи/стирания и постоянного обновления таблицы файловой системы возможен выход накопителя из строя по причине банального перегрева! Разумеется, если вы используете флэш-карту только для чтения, подобных проблем не возникнет.

Конечно, разработчики продолжают совершенствовать конструкцию и технологические процессы для изготовления флэш-памяти, которые бы позволили максимально увеличить число циклов стирания/записи и ещё больше нарастить ёмкость этого носителя, однако проводятся исследования и в области альтернативных твёрдотельных носителей.

Например, в Intel уже несколько лет занимается разработкой твёрдотельной памяти на аморфных полупроводниках (Ovonic Unified Memory, OUM). В основу работы такой памяти положена технология фазового переход, аналогичная принципу записи на перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW, при котором состояние регистрирующего слоя изменяется с аморфного на кристаллическое, и одно из этих состояний соответствует логическому нулю, а другое - логической единице. Принципиальное отличие - способ записи: если в оптических носителях применяется нагрев лазером, то в OUM нагрев производится непосредственно электрическим током.

Еще одна альтернативная флэш-памяти и куда более близкая к серийному производству технология - магниторезистивная память MRAM, она может применяться не только для длительного хранения данных, но и в качестве оперативной памяти.

Чипы MRAM построены на базе элементов магнитной памяти, укреплённых на кремниевой подложке, и теоретически поддерживают бесконечное число циклов записи и стирания. Кроме того, важным свойством MRAM-памяти является возможность мгновенного включения, что особенно ценится в мобильных устройствах. Значение ячейки в этом типе памяти определяется магнитным полем, а не электрическим зарядом, как в обычной флэш-памяти.

ВИДЫ И ТИПЫ КАРТ ПАМЯТИ И ФЛЕШ-НАКОПИТЕЛЕЙ

CF (на англ. Compact Flash): один из старейших стандартов типов памяти. Первая CF флеш-карта была произведена корпорацией SanDisk еще в 1994 году. Данный формат памяти очень распространён и в наше время. Чаще всего он применяется в профессиональном видео- и фото-оборудовании, так как ввиду своих больших размеров (43х36х3,3 мм) слот для Compact Flash физически проблематично установить в мобильные телефоны или MP3-плееры. Кроме того, ни одна карта не может похвастаться такими скоростями, объемами и надежностью. Максимальный объём Compact Flash уже достиг размера в 128 Гбайт, а скорость копирования данных увеличена до 120 Мбайт/с.

MMC (на англ. Multimedia Card): карта в формате MMC имеет небольшой размер - 24х32х1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

RS-MMC (на англ. Reduced Size Multimedia Card): карта памяти, которая вдвое меньше по длине стандартной карты MMC. Её размеры составляют 24х18х1,4 мм, а вес - порядка 6 гр., все остальные характеристики и параметры не отличаются от MMC. Для обеспечения совместимости со стандартом MMC при использовании карт RS-MMC нужен адаптер.

DV-RS-MMC (на англ. Dual Voltage Reduced Size Multimedia Card): карты памяти DV-RS-MMC с двойным питанием (1,8 и 3,3 В) отличаются пониженным энергопотреблением, что позволит работать мобильному телефону немного дольше. Размеры карты совпадают с размерами RS-MMC, 24х18х1,4 мм.

MMCmicro: миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14х12х1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать специальный переходник.

SD Card (на англ. Secure Digital Card): поддерживается фирмами SanDisk, Panasonic и Toshiba. Стандарт SD является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32х24х2,1 мм). Основное отличие от MMC - технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи. Несмотря на родство стандартов, карты SD нельзя использовать в устройствах со слотом MMC.

SDHC (на англ. SD High CapacitySD высокой ёмкости): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SDHC. Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).

miniSD (на англ. Mini Secure Digital Card): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5х20х1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.

microSD (на англ. Micro Secure Digital Card): в 2011 году являются самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11х15х1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры. Переключатель защиты от записи вынесен на адаптер microSD-SD. Максимальный объём карты microSDHC, выпущенной SanDisk в 2010 году, равен 32 Гб.

Memory Stick Duo: данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony. Корпус достаточно прочный. На данный момент — это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20х31х1,6 мм).

Memory Stick Micro (M2): данный формат является конкурентом формата microSD (по размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card: карта используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus, Fujifilm и некоторых других.

Применение

Современные технологии производства флэш-памяти позволяют использовать ее для различных целей. Непосредственно в компьютере эту память применяют для хранения BIOS (базовой системы ввода-вывода), что позволяет, при необходимости, производить обновление последней, прямо на рабочей машине.

Распространение получили, так называемые, USB-Flash накопители, эмулирующие работу внешних винчестеров. Эти устройства подключается, обычно, к шине USB и состоит из собственно флэш-памяти, эмулятора контроллера дисковода и контроллера шины USB. При включении его в систему (допускается "горячее" подключение и отключение) устройство с точки зрения пользователя ведет себя как обычный (съемный) жесткий диск. Конечно, производительность его меньше, чем у жесткого диска.

Флэш-память нашла широкое применение в различных модификациях карт памяти, которые обычно используются в цифровых видео- и фотокамерах, плеерах, телефонах.

В более общем плане можно сказать, что flash-память прочно вошла в наш быт, так как применяется практически повсеместно в самых различных устройствах, которыми мы ежедневно пользуемся: телевизор, музыкальный центр, стиральная машина, электронные часы т.д.

Необходимо отметить, что надежность и быстродействие флэш-памяти постоянно увеличиваются. Теперь количество циклов записи/перезаписи выражается семизначной цифрой, что позволяет практически забыть о том, что когда-то на карту памяти можно было записывать информацию лишь ограниченное число раз. Современные USB-Flash накопители уже рассчитаны на шину USB 2.0 (и она им действительно необходима). На рынке появляется все больше пылевлагозащищенных устройств. При этом все большее и большее количество производителей встраивают кард-ридеры в настольные корпуса персональных компьютеров. Это безусловно свидетельствует о том, что данный тип памяти уже стал одним из популярнейших.

Флэш видеокамеры - самые популярные на данный момент камеры, использующие в качестве носителя флеш-память. Камера с таким носителем меньше по размеру и весу, в ней нет подвижных элементов, и она имеет очень низкое энергопотребление. Видеокамера может иметь как встроенную флэш-память, так и специальный слот для карт памяти. Видео может записываться в различных форматах, однако флэш-память всегда имеет ограниченную емкость, поэтому надо либо вовремя менять флэш-карту, либо переписывать полученное видео на компьютер или внешний диск, для получения свободного пространства для записи.

studfiles.net

NAND против DRAM | LAN Online

В твердотельных SSD-накопителях корпоративного класса обычно используется технология флеш-памяти NAND, хотя иногда даже в хранилище данных применяются модули памяти DRAM, а некоторые компании пытаются комбинировать в своих системных архитектурах обе технологии.

Во флеш-памяти NAND применяется логический элемент NOT AND и, как и во многих других типах памяти, данные хранятся в массиве ячеек, где каждая ячейка содержит один или несколько битов данных. Динамическая оперативная память (Dynamic Random Access Memory, DRAM) — один из видов энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM) — наиболее широко используется в качестве ОЗУ современных компьютеров.

В Micron Technology ожидают, что рынок памяти в ближайшие три-пять лет будет расти в 2,5 раза быстрее, чем остальная часть полупроводниковой промышленности. Но, если проанализировать историю роста продаж микросхем памяти (см. рис. 1), можно увидеть, что за каждым пиком следовал резкий спад, хотя глубина спада сокращалась с каждым новым циклом, поскольку рынок консолидировался, а спрос на память диверсифицировался — от ПК до смартфонов. По мере дальнейшей диверсификации этот рынок станет менее изменчивым.

Рис. 1. Динамика продаж модулей памяти очень неустойчива, однако поставки памяти NAND увеличиваются стабильными темпами

Ключевые характеристики DRAM SSD и NAND SSD — производительность, долговечность и, конечно, стоимость. Но главное отличие в другом.

ЭНЕРГОЗАВИСИМОСТЬ: ПРОБЛЕМА И РЕШЕНИЯ

Одним из основных преимуществ NAND SSD является энергонезависимость, то есть данные сохраняются в памяти даже при отключении питания. DRAM таким свойством не обладает, но этот недостаток может компенсироваться наличием внешних ИБП или встроенной батареи, которой оснащаются некоторые системы и даже платы DRAM.

Существует также память NVRAM, где NV (non-volatile) означает энергонезависимость. В энергонезависимом модуле с «двойной» встроенной памятью NVDIMM объединены флеш-память и DRAM. При сбое питания конденсатор позволяет скопировать данные из DRAM во флеш-память модуля, а после восстановления нормального режима работы данные копируются обратно в DRAM.

Например, в модулях Micron NVDIMM-N (см. рис. 2) на планке находится процессор FPGA, копирующий данные в память SLC NAND в случае сбоя питания, которое при этом обеспечивается суперконденсатором.

Рис. 2. В 2017 году компания Micron представила модули NVDIMM-N емкостью 32 Гбайт. Они работают на частоте DDR4-2933 и представляют собой комбинацию ECC DRAM и NAND. Последняя служит только для резервирования данных

Объединение DRAM с конденсатором и флеш-памятью может привести к созданию эффективной кеш-памяти для записи данных или высоконадежной серверной памяти, выдерживающей отказы питания. Концептуально и архитектурно эти хранилища хорошо сочетаются с другими энергонезависимыми накопителями — жесткими дисками HDD (см. рис. 3).

Рис. 3. NAND заполняет пробел между HDD и DRAM

Такие модули памяти, получившие название NVDIMM-N, могут найти применение в серверах баз данных и файловых хранилищах. В модулях NVDIMM-F используется только память NAND, и хотя производительность у них ниже, они энергонезависимы «по умолчанию» и сохраняют данные в случае сбоя питания без каких-либо дополнительных технических решений.

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ

DRAM, будучи основной технологией оперативной памяти, обладает сбалансированной производительностью чтения/записи и заметно превосходит по этому параметру флеш-память NAND, особенно при операциях записи. Однако и стоимость DRAM значительно выше.

SD на базе NAND отлично подходит для ориентированных на чтение приложений, обеспечивая высокую скорость ввода-вывода в IOPS, но обладают более низкой производительностью при записи. Это связано с тем, что для записи нового блока данных требуется полностью удалить прежний блок.

Тем не менее производительность записи у накопителей NAND все же значительно выше, чем у механичес-ких дисков, а разработчики устройств NAND потратили немало сил и средств на совершенствование алгоритмов оптимизации записи. Кроме того, сравнивать технологии имеет смысл в применении к конкретным приложениям.

ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Срок службы флеш-памяти NAND следует оценивать не по времени эксплуатации, а по числу выполненных операций. В результате стирания и записи данных происходит ее постепенная деградация на уровне отдельных ячеек, что влияет на общую производительность и доступную емкость устройства. Если потребительские накопители NAND рассчитаны на 3000–10000 операций записи, то флеш-накопители корпоративного класса выдерживают до 100 000 циклов. DRAM работает в 100 раз быстрее NAND и служит в 100 раз дольше.

Итак, в отличие от DRAM, флеш-память довольно быстро изнашивается при интенсивном использовании. Иногда накопители изначально имеют большую емкость, чем заявляют вендоры, что помогает компенсировать падение производительности и емкости. А для снижения темпов деградации применяются все более сложные алгоритмы записи.

Память DRAM тоже подвержена аппаратным сбоям, и для их компенсации или исправления используются проверенные временем методологии. У DRAM нет ресурса записи, но со временем и она деградирует. Ошибки могут быть вызваны большим количеством факторов, включая перегрев, длительный срок использования, дефекты и т.?д.

Как показало одно из исследований ошибок памяти DRAM, проведенное в полевых условиях, у почти трети всех машин и более 8% модулей DIMM была зафиксирована по крайней мере одна исправимая ошибка в год («DRAM errors in the wild: a large-scale field study»). На некоторых платформах почти у половины систем возникали исправимые ошибки, хотя в среднем только около 1,3% систем были подвержены неисправимым ошибкам (для некоторых этот показатель составлял 2–4%).

На выручку приходит технология коррекции ошибок и их обнаружения. Наиболее распространенный вариант — память с исправлением ошибок (Error-Correcting Code, ECC). Другой вариант — Dell Reliable Memory Technology PRO (RMT PRO) — по своей концепции похож на технологию коррекции ошибок жесткого диска. Он позволяет выявить неисправимые ошибки и многобитовые исправимые ошибки в модуле DIMM и устранить проблему. При перезагрузке RMT PRO помечает дефектную часть отдельного модуля DIMM, сообщает о дефекте и местоположении сбойного участка DIMM в BIOS, удаляет эти плохие ячейки и небольшое количество соседних ячеек из пула используемой системной памяти.

Что же долговечнее — DRAM или NAND? Для обоих продуктов гарантируется работа в течение многих лет. Многие производители NAND предос-тавляют пятилетние гарантии, некоторые — до 10 лет. Отдельные накопители на основе DRAM имеют аналогичные характеристики. Трудно выделить здесь какое-либо существенное отличие.

СЦЕНАРИИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Обычно поставщики специализируются на устройствах DRAM или NAND, но некоторые вендоры начинают предлагать и то и другое. DRAM чаще всего позиционируется как кеш-память высокой производительности или как первый (самый быстрый) уровень в системах многоуровневого хранения данных (тиринга).

В гибридных пулах хранения NAND дополняет DRAM. Программное обеспечение автоматического тиринга может динамически перемещать «горячие» данные на быстрые (и более дорогие) устройства SSD с более медленных (зато более емких и относительно дешевых) жестких дисков (см. рис. 4).

Рис. 4. SSD NAND дополняют HDD и позволяют оптимизировать производительность / стоимость хранения при использовании алгоритмов автоматического размещения данных

Аналитики считают, что эта твердотельная память, скорее всего, будет востребована в центрах обработки данных. Рост объемов транзакций, облачные вычисления, аналитика Больших Данных и рабочие нагрузки следующего поколения потребуют увеличения производительности. Поэтому данная технология окажется особенно полезной для ЦОД и в меньшей степени — для ПК.

Флеш-память NAND будет использоваться для хранения потоковых данных, для пакетной обработки, задач аналитики с системами управления базами данных. Это потребует удлинения очереди — примерно до 32 ожидающих выполнения операции чтения/записи или больше.

Спрос на память DRAM и NAND подстегивается выпуском новых моделей смартфонов, быстро набравшим популярность майнингом криптовалют, анонсами новых процессоров от AMD и Intel, а также новых ПК на их основе, что ведет к росту цен. Впрочем, они могут стабилизироваться благодаря дополнительному производству микросхем, которое начали в этом году Samsung и SK Hynix.

Большинство ИТ-организаций могут с выгодой использовать комбинацию DRAM и NAND исходя из архитектурной целесообразности и стоимости решения (см. рис. 5). Тем не менее, чтобы оптимизировать развертывание DRAM и NAND, полезно разобраться, чем различаются эти продукты, и оценить их перспективы.

Рис. 5. Еще в 2004 году стоимость NAND сравнялась со стоимостью DRAM и до недавнего времени продолжала снижаться

ПЕРСПЕКТИВЫ 3D NAND

Оба типа памяти продолжают развиваться: разработчики DRAM увеличивают емкость и тактовую частоту модулей памяти, а производители NAND переходят к объемной компоновке (3D NAND).

Так, Intel и Micron уже налаживают производство 64-слойной памяти 3D NAND, а также продолжают совместную разработку и производство энергонезависимой памяти 3D XPoint, что может повысить ее конкурентоспособность. Память NAND 3D XPoint, анонсированную компаниями Intel и Micron в 2015 году, выпускает их совместное предприятие IM Flash Technologies (см. таблицу).

Сравнение NAND и 3D XPoint

3D XPoint обладает большей производительностью и долговечностью, чем NAND, и занимает промежуточную позицию между DRAM и NAND (см. таблицу). Появление 3D XPoint не приведет к повсеместной замене DRAM в серверах, но позволит сократить расходы благодаря замене части оперативной памяти, а также увеличить производительность твердотельных накопителей NAND.

Если в настоящее время стоимость DRAM составляет примерно 5 долларов за гигабайт, то NAND — около 25 центов. По данным Gartner, 3D XPoint будет стоить около 2,40 доллара за гигабайт для крупных партий, то есть намного дороже NAND, и такое положение дел сохранится по крайней мере до 2021 года.

Intel и Micron не сообщают подробностей о применяемой технологии. Предполагается, что 3D XPoint — это тип памяти с фазовым переходом (PCM), поскольку Micron уже разрабатывала такую технологию (со схожими свойствами).

Технология 3D XPoint обеспечивает до 10 раз большую производительность по сравнению с «обычной» NAND (при использовании интерфейса PCIe/NVMe), при этом она до 1000 раз долговечнее: выдерживает более миллиона циклов записи, что по сути означает пожизненную гарантию.

Для сравнения, сегодняшняя память NAND рассчитана на 3–10 тыс. циклов стирания-записи. С помощью програм-много обеспечения для оценки износа и исправления ошибок число циклов можно увеличить, но миллион циклов записи все равно пока недостижим.

Малая задержка 3D XPoint (в тысячу раз меньше, чем у накопителей NAND) позволяет применять созданные на основе данной технологи продукты для выполнения задач, характеризующихся высокой нагрузкой ввода-вывода,?— например, в системах обработки транзакций (см. рис. 6).

Рис. 6. Комбинирование разных видов памяти / технологий хранения данных и получаемая в результате задержка в микросекундах

3D XPoint призвана заполнить пробел в иерархии памяти и хранилищ данных для ЦОД, которая включает в себя SRAM (кеш-память на процессоре), DRAM (оперативная память), NAND (SSD), жесткие диски, магнитную ленту и оптические диски. Она занимает промежуточное место между DRAM и энергонезависимой флеш-памятью NAND.

Intel называет свою версию технологии 3D XPoint памятью Optane (см. рис. 7). Optane предназначена для обслуживания самых «горячих» данных в иерархии хранения или даже для увеличения емкости оперативной памяти. Например, ее можно применять для анализа в реальном времени текущих наборов данных или хранения и обновления записей.

Рис. 7. В DC P4800X, первом SSD корпоративного класса от Intel, основанном на технологии 3D XPoint, используется интерфейс PCIe NVMe 3.0 x4

В 2017 году Intel начала поставлять продукты на базе новой технологии: модуль Intel Optane для ПК на 16/32 Гбайт и модуль Intel Optane SSD DC P4800X на 375 Гбайт. Этот первый 3D XPoint SSD может выполнять до 550 тыс. операций ввода-вывода в секунду (IOPS) при чтении и 500 тыс. IOPS при записи с глубиной очереди 16 или менее. Как и DRAM, 3D XPoint поддерживает байтовую адресацию, в то время как в NAND адресация происходит на уровне блока (см. рис. 8).

Рис. 8. Модуль с памятью 3D XPoint от Intel применяется в качестве кеш-памяти для ускорения работы компьютеров с накопителями SATA

По мнению аналитиков IDC, внедрение 3D XPoint в качестве нового уровня хранения данных является крупным технологическим прорывом, одним из наиболее важных с момента появления масштабных облачных ЦОД. Между тем, согласно Intel, продукты на базе Optane с успехом могут применяться не только в центрах обработки данных, но и в настольных компьютерах для ускорения доступа к данным.

Модуль Intel Optane для ПК, выполняя функции кеш-памяти, поможет повысить скорость работы любого устройства хранения SATA на платформе Intel Core i 7-го поколения. Intel утверждает, что он вдвое сокращает время загрузки ПК и повышает общую производительность системы на 28%.

DC P4800 наиболее эффективен в приложениях с произвольными операциями чтения-записи и в этом случае выступает в роли расширения серверной памяти DRAM. Optane показывает себя с лучшей стороны при произвольном чтении и записи.

Стоимость DC P4800 SSD емкостью 375 Гбайт в пересчете на 1 Гбайт составляет около 4,05 доллара. Скорость чтения у данного устройства — 550 тыс. IOPS с использованием блоков 4K с глубиной очереди 16. Скорость последовательного чтения-записи — до 2,4 и 2 Гбайт/с соответственно.

Для сравнения, твердотельный накопитель на базе NAND, например Intel DC P3700 емкостью 400 Гбайт, продается за 645 долларов, то есть стоимость за 1 Гбайт составляет 1,61 доллара. P3700 обеспечивает скорость чтения блоками 4K до 450 тыс. IOPS при глубине очереди до 128 для последовательного чтения/записи (до 2,8 и 1,9 Гбайт/с соответственно).

У Intel 3D XPoint Optane SSD задержка при чтении/записи составляет менее 10 мкс, что намного ниже, чем у многих твердотельных накопителей на основе NAND, для которых этот показатель находится в диапазоне от 30 до 100 мкс. Intel рассматривает два основных варианта использования Optane DC P4800X (см. рис. 9).

Рис. 9. Intel DC P4800X имеет емкость 375 Гбайт и обладает гораздо меньшими задержками, чем NAND

В планах Intel — выпуск Optane SSD емкостью 750 Гбайт и 1,5 Тбайт с интерфейсами PCIе/NVMe и U.2, а кроме того, компания планирует поставлять Optane в виде модулей DIMM в стиле DRAM.

Ранее иерархия памяти представляла собой следующую последовательность: кеш-память, основная оперативная память и диск. Жесткие диски всегда были самой большой проблемой при таком подходе: задержки при доступе к ним измеряются в миллисекундах, что на несколько порядков выше, чем у DRAM. Задержки у флеш-памяти NAND значительно ниже, чем у жестких дисков, но между NAND и DRAM все же существует значительный разрыв. Память Intel Optane может заполнить пробел между DRAM и NAND подобно тому, как NAND занимает промежуточное положение между DRAM и обычным жестким диском в современной системе.

Другое преимущество Optane — обеспечение схожей производительности при разной глубине очереди. SSD, как правило, работают тем быстрее, чем больше глубина очереди.

Компания Micron тоже намерена постепенно наращивать продажи своего продукта QuantX и перейти к массовому выпуску в 2019 году. Она позиционирует SSD-накопители QuantX как продукты для центров обработки данных, однако разрабатывает и 3D NAND потребительского класса. Для конечного пользователя это означает возможность анализировать больше данных и делать это в режиме реального времени.

По мере роста продаж 3D XPoint и увеличения масштабов производства эти накопители могут частично вытеснить модули DRAM. Их можно применять для кеширования записи или как замену/расширение оперативной памяти. К тому же для некоторых рабочих нагрузок важна не столько скорость доступа, сколько возможность хранить в памяти огромные объемы данных.

Micron объявила, что плотность памяти XPoint в десять раз выше, чем у коммерческих продуктов DRAM. Это справедливо, если сравнивать ее с продуктами DRAM класса 30 нм, поскольку у большинства таких продуктов крупных производителей DRAM плотность памяти составляет 0,06 Гбайт/мм2. У первого коммерческого продукта XPoint плотность памяти в три раза больше, чем у Samsung 1x DRAM, или в шесть раз больше, чем у Micron 20 нм DRAM.

Gartner прогнозирует, что технологию 3D XPoint начнут массово применять в центрах обработки данных уже в конце 2018 года. Экосистему ЦОД придется адаптировать к новой памяти, включая новые наборы микросхем и приложения.

НОВИНКИ И ПЛАНЫ

Последние версии 3D NAND содержат до 72 слоев флеш-памяти, и производители уже проектируют продукты с 96 слоями (они могут появиться в текущем году), а затем и 128 слоями. Кроме того, ожидается, что 3-разрядные ячейки (TLC) NAND заменят на 4 разрядные (QLC). Это позволит увеличить плотность памяти и снизить производственные затраты.

Год назад китайская компания Yangtze Memory Technologies объявила о планах запустить с 2018 года производство микросхем DRAM с техпроцессом 18–20 нм и 32-, а затем и 64-слойных модулей памяти 3D NAND. Это позволит ей составить конкуренцию Micron, Samsung и SK Hynix. К 2025 году в КНР планируется расширить производственные мощнос-ти для изготовления модулей памяти. Увеличить выпуск 64-слойной памяти NAND намерена и компания Toshiba. SK Hynix переходит с производства 48-слойной NAND на 72-слойную.

K Hynix анонсировала завершение разработки твердотельных накопителей SATA емкостью до 4 Тбайт, где применяются микросхемы памяти 3D NAND емкостью 512 Гбайт, состоящей из 72 слоев. Скорость последовательного чтения в новых SSD достигает 560 Мбайт/с, а записи — 515 Мбайт/с. При произвольном доступе скорость чтения может составлять 98 тыс., а записи — 32 тыс. IOPS. Кроме того, компания разрабатывает PCIe SSD на базе 72-слойной памяти емкостью более 1 Тбайт. Их характеристики — 2700/1100 Мбайт/с при последовательных операциях и 230/350 тыс. IOPS при произвольном доступе для чтения/записи соответственно.

В феврале и российская GS Group объявила о начале серийного выпуска SSD в Калининградской области. Как заявлено, эти 2,5-дюймовые накопители SATA построены на базе флеш-памяти 3D NAND ведущих производителей. До конца года планируется расширить линейку SSD за счет моделей емкостью до 1 Тбайт. Первая — емкостью 256 Гбайт — имеет скорость последовательного чтения и записи 550 и 450 Мбайт/с соответственно. И это лишь некоторые из последних новинок (см. рис. 10). Их появлению способствует высокий спрос со стороны производителей смартфонов и серверов для ЦОД.

Рис. 10. Компания Patriot недавно выпустила накопители NVMe SSD на новом контроллере Phison E12, поддерживающем до восьми каналов NAND и интерфейс PCIe 3.0 x4. В основе новинки — 64-слойная память BICS 3D NAND от Toshiba. Емкость ее Viper SSD составляет от 240 Гбайт до 2 Тбайт. Производительность при последовательном чтении — 3200 Мбайт/с, последовательной записи — 3000 Мбайт/с, а при произвольном чтении и записи — 600K IOPS

Модули памяти DRAM от Samsung производятся по техпроцессу 18 нм. Micron и SK Hynix планируют внедрить технологические нормы 10 нм, однако на этом пути предстоит преодолеть немало препятствий. Тем временем Samsung уже осваивает техпроцесс 7 нм.

amsung Electronics остается лидером рынка флеш-памяти. В этом году она нацелена на ускоренный запуск продуктов NAND с высокой плотностью памяти, расширение поставок емких накопителей в сегменте устройств начального и среднего уровней, а также накопителей корпоративного класса с интерфейсами PCIe и NVMe.

Второе место занимает Toshiba, которая сосредоточилась на поставках твердотельных накопителей с интерфейсом PCIe. Компания намерена увеличивать выпуск флеш-памяти NAND и наращивать мощности для производства 64-слойных микросхем 3D NAND.

За лидерами следуют Western Digital, Micron, SK Hynix и Intel. Все они успешно наращивают продажи и развивают производство по выпуску микросхем памяти 3D NAND.

При этом развитие обычной флеш-памяти NAND продолжится как минимум до 2025 года. Технологии флеш-памяти эволюционируют столь быстрыми темпами, что кардинально меняется вся концепция хранения (см. статью Дмитрия Ганьжи «Время флеша, или На пути к универсальной памяти» в мартовском номере «Журнала сетевых решений/LAN» за 2017 год). «Главным героем» этих изменений стала флеш-память NAND.

Появление высокоскоростных энергонезависимых устройств хранения класса Storage Class Memory (SCM) затронет все уровни инфраструктурного стека. Использование памяти различного типа может быть оправданным при создании многоуровневых архитектур хранения, а также для хранения часто запрашиваемых «горячих» данных в ЦОД.

Сергей Орлов, независимый эксперт

 

 

 

 

 

 

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями

www.osp.ru

Подробнее о новой 3D NAND QLC памяти Intel и Micron

Как мы сообщали, компании Intel и Micron приступили к массовому производству самой ёмкой и самой плотной в индустрии флеш-памяти 3D NAND ёмкостью 1 Тбит. На основе данных чипов компания Micron разработала серию SSD 5210 Ion вместимостью от 1,92 Тбайт до 7,68 Тбайт, коммерческие поставки которых стартуют нынешней осенью. Значительно увеличить ёмкость микросхем 3D NAND и накопителей на их основе удалось благодаря реализации целого ряда технологий и нововведений.

Но начнём мы с того, что 1-Тбит 3D NAND чипы партнёров представляют собой 64-слойные кристаллы. Это самая передовая на сегодня многослойная память. До конца года Intel и Micron могут начать производство 96-слойной памяти 3D NAND, о завершении разработки которой они тоже сегодня сообщили. Нетрудно подсчитать, что это на ровном месте увеличит плотность записи ещё на 50 % в пересчёте на одну микросхему памяти. Это хороший прыжок вперёд, хотя само по себе производство 96-слойной 3D NAND обещает оказаться намного сложнее, чем выпуск 64-слойной памяти.

96-слойная 3D NAND может быть составлена из двух 48-слойных кристаллов 3D NAND (International Memory Workshop 2018)

Дело в том, что дальше наращивать слои в одном кристалле 3D NAND оказывается экономически невыгодным. Переход от 64 слоёв к 96 слоям в разы увеличивает длительность изготовления каждой кремниевой пластины с чипами 3D NAND. Поэтому, скорее всего, вместо изготовления монолитного 96-слойного кристалла будет собираться «спайка» из двух 48-слойных кристаллов. Это предъявляет высочайшие требования к точности совмещения верхнего и нижнего слоёв двух кристаллов, что неизбежно ведёт к росту уровня брака. Вот с ним-то и будут бороться производители при переходе к 96-слойным и более «слоистым» чипам 3D NAND.

Первыми выпуск 96-слойной памяти 3D NAND обещают начать компании WD и Toshiba. Это должно произойти в третьем или в четвёртом квартале текущего года. Хотя мы вряд ли удивимся, если компания Samsung начнёт выпускать 96-слойную память раньше всех. Ещё в прошлом году Samsung показала опытный чип ёмкостью 1 Тбит с записью 4 бит в каждую ячейку (QLC, Quad-Level Cell). Возвращаясь к сегодняшнему анонсу Intel и Micron, отметим, что 1-Тбит 64-слойный чип 3D NAND представляет собой массив ячеек QLC. Иными словами, Intel и Micron первыми в индустрии преодолели знаковый порог в 1 Тбит для хранения данных в коммерческом чипе. По сравнению с 64-слойной 3D NAND TLC (три бита в ячейке) плотность записи возросла на 33 %.

О достоинствах и недостатках памяти QLC (AnandTech)

Но и это ещё не всё. Сам по себе 64-слойный кристалл 3D NAND QLC Intel и Micron стал заметно меньше по площади — это тоже рекорд. Для этого партнёры спроектировали и изготовили чип таким образом, чтобы управляющие и питающие цепи, которые обслуживают массив памяти, были перенесены прямо под массив с ячейками. Эта технология называется CMOS under the array (CuA) и конкуренты тоже возьмут её на вооружение. Грубо говоря, электроника перенесена в подвал под массивом памяти, что существенно сэкономило площадь кристалла. Уточним, Intel пока не называет точных цифр.

Наглядно о технологии CMOS under the array (CuA)

Наконец, 1-Тбит чип 64-слойной памяти 3D NAND использует четыре банка памяти вместо двух, как это было реализовано до сегодняшнего дня. Разбивка на четыре логических и, очевидно, физических массива позволяет увеличить параллельный доступ к памяти, что ускоряет операции чтения и записи. Увы, Intel снова проигнорировала точные цифры, поэтому о реальном выигрыше судить нельзя. Также следует помнить, хотя для потребителя это вряд ли будет заметно, что переход на ячейку QLC снизил устойчивость ячеек к износу примерно с 3000 циклов перезаписи/стирания до 1000 циклов. Решать вопрос с надёжностью будут как всегда — с помощью избыточного массива ячеек.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

3dnews.ru

alexxlab

leave a Comment