SSD-накопители WD Black SN750 отличаются высокой емкостью и быстродействием: флагманская модель серии способна вместить до 2 ТБ информации, при этом демонстрируя рекордную в своем классе скорость передачи данных вплоть до 3470 МБ/с при чтении файлов. Столь впечатляющих показателей во многом удалось достичь благодаря переходу на флеш-память 3D NAND. Чем же трехмерные чипы отличаются от обычных и какие преимущества обеспечивают? Давайте разбираться.
Как повысить емкость флеш-памяти?
Вы уже имеете представление о том, как работает флеш-память, и знаете, что главной ее проблемой является ограниченный рабочий ресурс. Последний определяется состоянием диэлектрических слоев, изолирующих плавающий затвор транзистора, который исполняет роль элементарной ячейки хранения данных.
Теперь давайте рассуждать. Перед нами стоит задача повысить емкость твердотельного накопителя. Каким образом этого можно добиться? На ум сразу приходят два пути:
- увеличить емкость ячеек, сделав так, чтобы каждая из них вмещала не один бит информации, а больше;
- увеличить количество ячеек в каждом чипе за счет физического уменьшения размеров транзисторов.
До создания памяти 3D NAND разработчики микросхем двигались именно в этих направлениях, и оба из них в конечном счете оказались тупиковыми, так как такие подходы пагубно сказывались на надежности чипов. Если SLC-память, в каждой ячейке которой хранится 1 бит информации, способна выдержать 100 тысяч циклов перезаписи, то MLC (2‑битовая) — лишь 3 тысячи, а TLC (3-битовая) — не более 1500. Другим побочным эффектом при переходе от SLC к MLC, а затем и к TLC оказалось падение производительности. Все дело в том, что если в SLC учитывается сам факт наличия заряда на плавающем затворе, то кодирование битов в MLC и TLC основано на изменении его уровня. Усложнение процедуры записи и чтения закономерно привело к увеличению времени доступа к каждой ячейке и, как следствие, к снижению скорости передачи данных.
Уменьшение физического размера ячеек также негативно отразилось на надежности флеш-памяти. Пределом оказался 15-нанометровый техпроцесс. Дальнейшая миниатюризация транзисторов мало того, что делала их крайне ненадежными (слои диэлектриков становились тоньше, и, как следствие, возникала проблема перетекания заряда из одной ячейки в другую), так еще и приводила к существенному удорожанию производства чипов, поскольку технология требовала применения дорогостоящего оборудования для фотолитографии в глубоком ультрафиолете.
Особенности и преимущества флеш-памяти 3D NAND
Выйти из этого тупика производителям твердотельных накопителей удалось путем кардинального пересмотра архитектуры микросхем. На смену плавающим затворам пришли «ловушки зарядов» (Charge Trap Flash) из нитрида кремния (SiN), отличающиеся большей стабильностью.
Сами ячейки памяти 3D NAND стали цилиндрическими: их внешний слой представляет собой управляющий затвор, а внутренний — изолятор. Будучи расположенными друг над другом, они формируют стек, внутри которого проходит канал из поликристаллического кремния. Поскольку чипы имеют многослойную структуру, количество слоев в микросхеме определяет число ячеек в стеке.
Обновленная технология производства чипов позволила существенно повысить плотность хранения данных без применения экстремальной фотолитографии, что помогло не только удержать цены на флеш-память на адекватном уровне, но и существенно увеличить ее надежность. Даже при производстве флагмана WD Black SN750 использовалась 3D NAND, выполненная по отлаженному 28-нанометровому техпроцессу (емкости в 2 ТБ удалось добиться за счет увеличения количества слоев до 64), при этом ресурс твердотельного накопителя достигает 1200 ТБ перезаписи.
Также переход на новую архитектуру помог нивелировать интерференцию между ячейками и за счет этого оптимизировать алгоритмы чтения и записи. В случае с 3D NAND SSD при сохранении и считывании данных совершается только одна операция вместо трех, как было ранее, так как отпадает необходимость в дополнительной проверке ячеек. Именно поэтому WD Black SN750 с высокоскоростным интерфейсом NVMe может похвастаться впечатляющей скоростью 3470 МБ/с в операциях последовательного чтения. В то же время для программирования и стирания данных требуется гораздо меньшее напряжение, что также благоприятно сказывается на рабочем ресурсе и надежности твердотельных накопителей.