Память будущего: как устроены SSD?

Устройство флеш-памяти представляет особенный интерес. Когда традиционные жесткие диски хранят информацию на нескольких магнитных пластинах (платтерах), где актуатор со считывающими головками получает информацию с вращающегося диска, в SSD информация хранится при помощи флеш-памяти NAND. Изначально данная технология была доступна только для использования по проводу, однако производители твердотельных накопителей не стоят на месте, поэтому сейчас рынок активно штурмуют как проводные, так и беспроводные SSD.

Рассмотрим принцип работы SSD. Информация хранится в массиве ячеек памяти, который состоит из транзисторов с плавающим затвором. Электроны в зависимости от направления напряжения перемещаются между управляющим затвором и каналом NAND. Когда на управляющий затвор подается напряжение, электроны начинают притягиваться вверх, и полученное электрическое поле помогает им достичь плавающего затвора, преодолев при этом препятствие из оксида. Благодаря ему электроны не двигаются дальше плавающего затвора. Так происходит программирование ячейки.Отсутствие движущихся дисков подвижных частей — одно из главных преимуществ SSD над жесткими дисками, и именно это дает твердотельным накопителям работать на скоростях, заметно превосходящих HDD. Для наглядности — вот сводная таблица по времени задержки различных типов NAND и HDD.SLC, MLC, TLC — количество бит в каждой ячейке. В SLC (Single) это один бит, в MLC (Multi) — два бита, в TLC (Triple) — соответственно, три бита. Следовательно, MLC хранит в два раза больше информации, чем SLC, и это при том, что количество ячеек то же самое. В целом, принцип работы у этих типов NAND одинаковый, что нельзя сказать о выносливости.

Если, к примеру, взять кристалл NAND плотностью 16 Гбит, получим SLC 16 Гбит при том, что в каждой ячейке один бит. Соответственно, для MLC это будет 32 Гбит, а для TLC — 48 Гбит. Правда, в последнем случае кристалл NAND все равно приходится резать, в итоге получается эквивалент 32 Гбит у MLC.

У TLC по этому параметру самый лучший показатель — этот тип NAND выдерживает широкий диапазон колебаний напряжения. Накопители с данным типом отличаются доступной ценой и большой емкостью — например, эта модель от SILICON POWER или такой накопитель производства SANDISK. Но и с SLC встречаются интересные варианты (SILICON POWER M-Series).Несколько лет назад на смену планарной флеш-памяти NAND пришла 3D NAND. Она меньше подвержена износу за счет отсутствия необходимости в подаче высокого напряжения при записи данных в ячейку. Производители активно развивают данное направление, и на рынке уже есть много накопителей с типом памяти 3D NAND. По стоимости они дороже, но и прослужат такие накопители дольше.В этом случае мы получаем цилиндр с верхним слоем в роли управляющего затвора, при этом внутренний слой выполняет роль изолятора. Сами ячейки располагаются друг под другом, образуя стек. Управляющая логика размещается под массивом памяти, освобождается площадь чипа, где впоследствии находят себе «дом» ячейки памяти.

С этими современными технологиями SSD стали еще более производительными и имеют хорошую пропускную способность. Ожидалось, что на смену NAND придет что-то другое, и 3D NAND не заставила себя ждать. А дальше кто знает, куда нас заведут технологии. Источник