В прошлой статье, развивая разговор о правильном подборе комплектующих ПК, мы упомянули, что дешёвые диски-накопители могут разочаровать своей скоростью при реальных нагрузках. Чтобы понять, почему так происходит, нам придётся углубиться до уровня физики самих чипов памяти. Всё дело в том, как именно современный ПЗУ хранит информацию и на какие компромиссы пошли производители ради удешевления производства.
Об уровнях памяти дисков-накопителей
Физически ячейка флеш-памяти (NAND) – это микроскопическая ловушка для электронов. На заре технологии использовалась память типа SLC, где одна ячейка хранила ровно один бит данных. Заряд в ловушке либо есть, либо его нет – это всего два уровня напряжения, один или ноль. Собственно, это и имеется ввиду в названии такой ячейки – Single-Level Cell (SLC). Считывать такие значения контроллеру было элементарно, скорость работы была большой, а ресурс ячейки не казался большой проблемой. Однако производить такие чипы в больших объёмах было слишком дорого.
Чтобы сделать твердотельные диски доступными, индустрия пошла по пути уплотнения, начав "трамбовать" больше данных в одну ячейку. Так появились типы памяти MLC (Multi-Level Cell, 2 бита в ячейке), а также массовые сегодня TLC (Triple-Level Cell, 3 бита) и QLC (Quad-Level Cell, 4 бита). Но откуда берутся уровни заряда и как они связаны с битами? Дело в возможных комбинациях нулей и единиц. Один бит даёт лишь два варианта (0 или 1), для выражения этого значения достаточно два уровня напряжения. Два бита образуют уже четыре уникальные комбинации (00, 01, 10, 11) – контроллеру требуется различать 4 уровня заряда. Соответственно, для трёх бит в ячейке TLC (комбинации от 000 до 111) необходимо уже 8 уровней напряжения, а в современных бюджетных дисках QLC на их 4 бита этих уровней целых 16.
Представьте, что Вам нужно на глаз определить уровень воды в стакане. Одно дело – понять, есть в нём вода в принципе или нет (это память SLC с двумя состояниями). Совсем другое – безошибочно распознать, налито туда 12/16 или 13/16 объёма (QLC). Контроллеру требуется дополнительное время, чтобы ювелирно дозировать микроскопическое количество электронов при записи и точно считывать этот крошечный шаг напряжения. Именно поэтому базовая – "честная" – скорость работы таких плотных ячеек так сильно падает.
Физические ограничения ПЗУ и технология 3D NAND
К указанному выше добавляется ещё и проблема физического износа. С точки зрения классической физики изолирующий слой ячейки (диэлектрик) – это глухая, непреодолимая стена. Но при подаче высокого напряжения возникает эффект квантового туннелирования, и электроны буквально "просачиваются" сквозь стенки. Однако это не проходит бесследно: постоянные "скачки" зарядов туда-сюда со временем приводят к разрушению атомной структуры оксида кремния, из которого сделаны стенки изолятора. В нём образуются микродефекты, стенки ловушки изнашиваются, начинают "подтекать" ещё сильнее. Для старой памяти SLC с её двумя состояниями небольшая утечка заряда после нескольких лет эксплуатации не критична. А вот для плотной QLC, где важны малейшие градации напряжения, потеря даже крошечной доли электронов приводит к искажению данных. Контроллер уже не может правильно прочитать уровень заряда, из-за чего ресурс многобитной памяти оказывается значительно ниже.
Когда уплотнять ячейки в плоскости стало уже физически невозможно из-за их микроскопического размера, а электроны начали создавать помехи и перескакивать к соседям, инженеры нашли довольно изящный выход. Они начали строить кремниевые "многоэтажки". Так появилась технология 3D NAND, гордую надпись о которой можно встретить почти на любой коробке. Слои памяти стали размещать друг на друга по вертикали, что позволило наращивать объёмы гигабайт без уменьшения самих ячеек до критических размеров.
Итого
Получается интересная картина: физически современные "уплотнённые" чипы памяти довольно медленные и подвержены быстрому износу. Но как тогда бюджетные диски-накопители выдают скорости в тысячи мегабайт в секунду на радость маркетологам? "Магия" кроется в программных уловках и виртуальных буферах. Этот вопрос в связи с подбором комплектующих ПК, и в частности ПЗУ, мы подробно раскроем в следующей статье.