SSD: vývoj, technologie a budoucnost

V-NAND, aneb reset pro škálování

V souvislosti s paměťmi V-NAND, čili s vrstvenými paměťmi, mluvíme především ve spojitosti se společností Samsung. Dnes jsou paměti V-NAND další cestou, jak navýšit kapacitu SSD, dostat dolů jejich cenu a pokud možno udržet jejich spolehlivost. Dříve k tomu sloužil Mooreův zákon či nové výrobní technologie a schopnost buněk ukládat dva či tři bity, což s sebou ale přineslo i výše uvedené problémy s životností. Z nějakých 10.000 P/E cyklů u pamětí vyráběných 50nm procesem jsme se dostali na 3.000, což může stačit v případě SSD pro běžné uživatele, ale u podnikových modelů už to začíná být problém.

V době, kdy se výrobci postupně dostávají k 16, 15 nebo 14nm pamětem, je výroba TLC NAND Flash už velice složitá a při čtení buněk se počítá doslova každý elektron. Pod hranicí 20 nm se už také začíná projevovat vzájemné rušení mezi dvěma buňkami a je zapotřebí kvalitní kontroler a ECC k tomu, aby byl obsah přečten správně. Proslýchá se tak, že klasické paměti NAND Flash čekají už jen dva či jeden nový proces, než bude se stávajícími technologiemi nemožné buňky dále zmenšovat. Odpověď na to se v roce 2013 odhodlal dát Samsung, který přišel s paměťmi V-NAND nebo také 3D NAND. My jsme si od něj letos vyzkoušeli SSD 850 EVO, první model s 3bitovými V-NAND.
Samsung se tedy rozhodl, že bude na sebe vrstvit buňky pamětí NAND, čímž vytvoří 3D strukturu oproti klasické rovinné, ovšem to není jediná změna. Výrobce zde již opustil klasické provedení buňky s Floating Gate pro uložení náboje a namísto ní přišel s Charge Trap Flash (CTF). Design vypadá podobně, ale namísto rovinného tranzistoru je tu jakýsi válec s Poly-Si materiálem uvnitř, CTF namísto Floating Gate uprostřed a Control Gate vně, což přináší řadu výhod včetně vyšší výdrže a možnosti dalšího zmenšování buněk.
V pamětech V-NAND máme také více vrstev buněk CTF NAND, díky čemuž mohou mít výsledné paměťové čipy podstatně vyšší kapacitu, aniž by se to podepsalo na jejich velikosti, což je důležité zvláště u mobilních zařízení. Díky tomu se Samsung mohl u prvních NAND vrátit ke 3Xnm výrobní technologii a v porovnání s dnešními 19 a 20nm MLC NAND Flash s 3000 P/E cykly mají 3Xnm V-NAND vydržet i více než 10x tolik, ovšem sám Samsung mluví o tom, že takové SSD 850 Pro nabídne 2x delší životnost než předchozí model (rating je 300 TBW, tedy 300 terabajtů zapsaných po celou dobu životnosti SSD). První generace V-NAND obsahovala 24 vrstev a i přes využití staršího výrobního procesu takové paměti měly kapacitu 128 Gb (16 GB), čili dvojnásobnou v porovnání s 19 a 20nm. Zmíněný SSD 850 EVO už ale využívá druhou generaci pamětí V-NAND se 32 vrstvami a schopností uložit 3 bity v jedné buňce, ovšem kapacita měla zůstat stejná, čili 128 Gb.

V-NAND mají před sebou světlou budoucnost a Samsung předpokládá, že do roku 2017 bude schopen vyrobit čip s kapacitou 1 Tb, což by přineslo další snížení cen a nárůst kapacity SSD. Svou odpověď má také Intel s Micronem, který již na konci minulého roku ohlásil 3D NAND paměti se 32 vrstvami, buňkami MLC i TLC a kapacitou 256 nebo 384 Gb na čip. Do budoucna byly slíbeny modely 2,5" SSD s kapacitou 10 TB. Nezahálí ani Toshiba, která už v tomto roce uvedla své 48vrstvé 3D paměti NAND Flash (BiCS), jež mají prozatím kapacitu 128 Gb a firma s nimi ještě experimentuje.

Paměti V-NAND tedy zatím řeší problém s životností, i když ten běžného uživatele nemusí dnes tak moc trápit, ale především slibují další růst do budoucna.

Synchronní/asynchronní, ONFI, SDR, DDR

Staré paměti NAND Flash využívaly 2 typy řídicích signálů, a to RE pro čtení a WE pro psaní. Ty řídily a řídí příslušné operace, ovšem paměti se začaly zrychlovat a bylo nutné začít využívat třetí signál, který dostal označení Strobe a využívají jej již všechny paměti Toggle DDR NAND. Právě ten umožňuje provádět čtecí a zapisovací operace ve vysokých rychlostech a zvláště se uplatní při zápisu, kdy jej řídí samotný kontroler SSD. V případě asynchronních pamětí Strobe začne pracovat na vyžádání podobně jako stopky, přičemž u synchronních pamětí se využívají hodinové impulzy (clock signal), které běží neustále. Synchronní logikou oplývají paměti standardu ONFI 2.0 (Open NAND Flash Interface Working Group ) a vyšších verzí (starší ONFI 1.0 jsou asynchronní, stejně jako nejnovější), přičemž v případě pamětí Toggle NAND (vyrábí je Samsung a Toshiba) jde vždy o asynchronní (někde se mluví o "komplexním systému synchronního a asynchronního řízení).

Synchronní ONFI 2.0 by v různých scénářích měly být výrazně rychlejší než asynchronní ONFI 1.0, ale také dražší. To ale dnes už neplatí, když je tu opět asynchronní ONFI 3.2. Toggle NAND mají být rychlé a levné zároveň. Jde také o to, že paměti ONFI 2.x a 3.x pracují podobně jako DDR RAM, zatímco ONFI 1.0 jen jako SDR. I paměti NAND Flash tedy mohou využívat obě hrany signálu pro přenos dat, díky čemuž přenosová rychlost vzrostla z 50 MB/s na 133 MB/s a postupným škálováním se dostaly až na 533 MB/s v případě ONFI 3.2.
Mezi paměti SDR patří i starší NAND od Toshiby a Samsungu, které ještě nepatří mezi Toggle NAND (ty dosahovaly také jen 50 MB/s), zatímco ty už tedy můžeme pokládat za DDR NAND. Jednotlivé generace Toggle DDR NAND a ONFI NAND se pak liší v tom, jak rychle pracuje Strobe či hodinový signál, čili s jakou frekvencí. Pokud porovnáme tedy ONFI 2.x a Toggle 1.0 NAND, je to 200 MB/s a 133 MB/s ve prospěch ONFI, v případě ONFI 3.0 a Toggle 2.0 to je shodných 400 MB/s a vést by tedy měly ONFI 3.2 se zmíněnými 533 MB/s.

Výkon SSD a čas

Velkým tématem je postupná degradace výkonu SSD, která závisí na tom, jak dobře své paměti spravuje daný kontroler a zvláště ožehavé téma to bylo v době, kdy byly aktuální kontrolery SandForce řady SF-2000. V jejich případě šel výkon SSD už zakrátko znatelně dolů a mohou za to zaplněné buňky starými daty. Pokud chce SSD znovu použít stránku se starými daty, musí nejdříve další stránky ve stejném bloku překopírovat jinam, pokud tedy obsahují ještě nějaká aktuální data. Pak může smazat celý blok a data do něj zapsat znovu, což je složité a časově náročné. Proto se prostě SSD takovému postupu vyhýbá a s pomocí mapovacího systému LBA (Logical Block Addressing) zapíše nová data prostě do další volné stránky a nepotřebná si jen označí.
Tato technika ale pochopitelně také není dokonalá a pouze oddaluje to, co je nevyhnutelné. Postupně se všechny stránky a bloky zaplní potřebnými i nepotřebnými daty a stejně musí nastat proces přesouvání a mazání. SSD tedy musí začít ideálně ještě dříve uvolňovat, k čemuž slouží algoritmy Garbage Collection a také vyhrazené volné místo (Over Provisioning).

Garbage Collection je trochu zavádějící termín, neboť ve skutečnosti SSD neshromažďuje odpad, tedy nepotřebná data, ale právě ta potřebná. Ta zapisuje hezky vedle sebe do bloků, aby v nich pokud možno nebyla žádná nepotřebná data, což je ale samozřejmě nikdy nekončící proces. Pak tu zůstávají bloky, kde jsou zapsána nepotřebná data a ty se pochopitelně mohou bez obav smazat, aby byly připraveny pro zápis nových dat.

Příkaz TRIM slouží stejnému účelu, ale nejde o techniku využívanou samotným SSD, ale o způsob, jakým moderní operační systém sdělí svému SSD, že nějaká data jsou již nepotřebná, tedy byla smazána. TRIM tedy umožní, aby algoritmy Garbage Collection fungovaly tak, jak mají. Operační systémy jsou totiž navrženy pro práci s pevným diskem a ten data na svých plotnách nemusí před zápisem mazat, prostě je přepíše. TRIM je tak relativně nový mechanismus, jakým operační systém sdělí svému SSD, která data už jsou k nepotřebě, aby se mohlo uvolnit potřebné místo pro nová data a výkon nedegradoval. TRIM se tedy využívá společně s Garbage Collection a příkaz se zašle do SSD vždy, kdy je smazán nějaký soubor, což funguje na OS Windows 7 a novějším, na Mac OS pouze u podporovaných modelů SSD a v případě starších Windows je třeba využít příslušné utility.