Что такое NAND Flash Memories и как они работают

Мы много говорим в мире NAND флэш-память аппаратное обеспечение, и большинство наших читателей наверняка знают, что это тип используемой памяти, например, SSD-накопители или USB-накопители. Но знаете ли вы, что это за тип памяти и как он работает? В этой статье мы расскажем вам подробно.

Когда мы обрабатываем так много данных на наших электронных устройствах, у нас всегда должен быть способ их хранения. В прошлом это делалось с помощью перфокарт, а позже появились магнитные диски. В настоящее время наиболее распространенным типом хранилища является NAND Flash, поэтому давайте посмотрим, что это такое.

Что такое флэш-память NAND?

Это тип нелетучий памяти, а это означает, что для сохранения данных не требуется питание. Другими словами, в отличие от того, что происходит с Оперативная память, данные не стираются при выключении компьютера или отключении устройства и могут оставаться там долгое время.

NAND это аббревиатура от английского «Not And», и это так, потому что его функция – вести себя как логический тип логические ворота , Когда он начал изготавливаться, этот тип памяти был либо NOR, либо NAND, в зависимости от типа используемого транзистора, но в настоящее время память NOR была отброшена, поскольку NAND намного проще и дешевле в изготовлении, в дополнение к возможности рассчитывать на более высокие плотности.

Его работа заключается в том, что внутри у них есть транзисторы, основанные на технологии EEPROM с плавающей дверью, которые, в отличие от памяти EPROM, могут быть стерты и переписаны (поэтому в начале у него есть дополнительный E для «стираемого» (стираемого)). По сути, данные хранятся в ячейках памяти в соответствии с их состоянием и в соответствии с обычным двоичным кодом: в них логическая «дверь» открыта, а в нулях она закрыта. Так хранятся данные.

Типы памяти NAND

Как вы знаете, существуют различные типы флэш-памяти NAND, поэтому давайте подведем итог, из чего состоит каждый из них:

• SLC (одноуровневая ячейка) : он первый на рынке; каждая из ее ячеек памяти способна хранить только один бит информации, и, следовательно, это наименьший износ всех типов флэш-памяти NAND и самый быстрый способ доступа к данным. Однако из-за того, что подходит только один бит на ячейку, ее плотность чрезвычайно низкая.
• MLC (многоуровневая ячейка) : Стоимость его производства значительно ниже, чем у SLC, и поэтому он быстро приобрел значение. Этот NAND способен хранить два бита на ячейку, поэтому плотность буквально удваивается, хотя из-за этого он также имеет значительно меньшую долговечность.
• TLC (трехуровневая ячейка) : Производительность этого типа значительно ниже, чем у предыдущих, поскольку в каждой ячейке может храниться до трех битов, что также значительно увеличивает ее износ. Хорошей новостью является то, что устройства с таким типом памяти имеют очень высокую плотность.
• QLC (четырехуровневая ячейка) : эволюция памяти TLC, и на одну ячейку можно сохранить до четырех битов. С новыми поколениями и улучшениями в алгоритмах его износ был даже ниже, чем у TLC.

NAND Flash 3D память

Чтобы еще больше увеличивать плотность памяти, вы давно услышали о NAND Flash Память в слоях или NAND 3D в трех измерениях. Это так, потому что с учетом ограничений физического пространства для размещения микросхем на печатных платах, в конце концов, решение продолжать увеличивать плотность и, следовательно, пропускную способность устройств должно было составлять слой за слоем с высокоскоростными соединениями.

Таким образом, независимо от типа используемой NAND, плотность может увеличиваться, хотя, конечно, до определенного предела, поскольку, как вы понимаете, они не могут расти в высоту неограниченным образом. В настоящее время производители уже работают со 128-слойными чипами, хотя Samsung уже объявила о разработке 160-слойной флэш-памяти NAND.

Коротко про SSD | Geek Фреш

Всі ми дуже полюбляємо сперечатися про техінку. iOS чи Android, Intel чи AMD, Nvidia чи NVIDIA? У кожному з цих випадків ми наводимо численні аргументи, які часто не перевіряємо, або беремо на довіру послухавши блогерів. А потім у магазині невпевнено киваємо на аргументи продавана, також без можливості перевірити інформацію.

Світ SSD-пам’яті зазвичай дуже складний. У магазинах є до десятка моделей кожного бренда, інколи вони навіть називаються схоже, а змінюються лише код та рік. То як розібратися у всій цій катавасії та зрозуміти який SSD потрібен? Особливо у випадку, коли звідкись чув про те, що MLS кращий за QLC, а в характеристиках пише 3D-NAND.

Ми підготували для вас стаканчик Geek фрешу по SSD, який швидко та просто дозволить розібратися у цій, на перший погляд, складній тематиці.

Дисклеймер: У даній статті уся інформація стосується як варіантів SATA SSD, так і M2 форматів.

Як працює пам’ять в SSD

Для початку варто розібратися як працює пам’ять.

Кожен SSD (грубо кажучи) складається з:

• плати, на якій все розпаяно,
• роз’єму підключення до вашого ПК,
• перетворювача струму на той, який потрібен платі,
• контролера, який керує роботою SSD, читанням, записом, стиранням даних,
• чіпів “банок” пам’яті, які безпосередньо зберігають інформацію.

Всередині кожного чіпа розміщена велика кількість комірок пам’яті, роль яких виконують польові транзистори та провідників, які з’єднують комірки. Кожна комірка-транзистор має змогу зберігати у собі заряд. Завдяки специфічній будові цей заряд може утримуватися в транзисторі навіть тоді, коли пристрій знеструмлений. Саме тому дані не пропадають після вимикання вашого ПК, або ноутбука.

Більшість користувачів розуміють, що сучасні комп’ютери сприймають інформацію у двійковому коді. Тому SSD повинні зберігати дані у вигляді логічних 0 та 1. Тому домовились наявність або відсутність заряду в транзисторі вважати за 1 або 0, що є одним бітом інформації. Перевіряючи в комірках наявність та відсутність заряду формується список нулів та одиниць (бітів), які утворюють список ваших даних.

Які типи пам’яті пам’яті SSD бувають

Такий підхід до зберігання даних виявився доволі хорошим. Проте людство постійно прагне до оптимізації та покращення процесів. Тут-то винахідникам і спало на думку:

– А що, якщо в одній комірці тримати не 1 біт інформації а декілька?
– Чудова ідея! А як це зробити?
– А що, якщо зберігати в комірці не просто заряд, а заряд різної інтенсивності, і потім при зчитуванні перевіряти не лише наявність заряду (що б відповідало 0 або 1), а і його інтенсивність? У такому випадку стан транзистора буде не лише “Є заряд” і “Немає заряду”, а буде “Немає заряду”, “Заряд 1”, “Заряд 2”, “Заряд 3” і так далі..

Це дозволить зберігати в комірці не 1 біт інформації, а одразу декілька.

Паралельно із цим велася постійна робота над зменшенням розміру кожного транзистора та ущільненням їх розміщення.

Розрізняти SSD пам’ять домовились за кількістю бітів, які здатна зберігати кожна комірка.

• SLC (Single Level Cell, однорівнева комірка) – найстаріший тип пам’яті, де на кожну комірку (транзистор) припадає по одному біту інформації (в осередку комірці одне з двох значень – 0 або 1).
• MLC (“Multi Level Cell”, багаторівнева комірка) – містить два біти інформації. Кількість можливих значень у такій комірці зростає до чотирьох – “00”, “01”, “10”, “11”, а порогової напруги необхідно три рівні. Тобто у пам’яті такого виду є ступерні “Немає заряду”, “Заряд”, “Сильніший заряд“, “Ще сильніший заряд”.
• eMLC – (“Enterprise Multi Level Cell”) – комірка, створена з урахуванням MLC, та її ресурс циклів запису/стирання значно збільшено. Надійність eMLC на рівні SLC, а ціна трохи більша, ніж у MLC. Також застосовують на різноманітних робочих станціях та серверах середньої ланки.
• TLC(“Triple Level Cell”, трирівнева комірка) – тип осередків пам’яті SSD, що містить три біти інформації. Число значень знову збільшилося вдвічі: “000”, “001”, “010”, “011”, “100”, “101”, “110” та “111”. Число порогових напруг – сім.
• QLC («Quad Level Cell», чотирирівнева комірка), що містить, відповідно, чотири біти. Тут кількість можливих значень вже дорівнює 16: “0000”, “0001”, “0010”, “0011”, “0100”, “0101”, “0110”, “0111”, “1000”, “1001”, “1010” », «1011», «1100», «1101», «1110», «1111» – і вимагає 15 граничних напруг.
• PLC(Penta Level Cell, п’ятирівнева комірка). Цей тип флеш пам’яті SSD тільки анонсований до випуску і міститиме 5 бітів на комірку, кількість можливих значень – 32: “00000”, “00001”, “00010”, “00011”, “00100”, “00101”, “00110” , “00111”, “01000”, “01001”, “01010”, “01101”, “01101”, “01101”, “01101”, “10000” “10011”, “10100”, “10101”, “10110”, “0111”, “11000”, “11001”, “11010”, “11110”, “11110” ; Число порогових напруг – 31.

Що таке 3D NAND, V-NAND та BiCS пам’ять

Подібна “гонка озброєнь”, яка полягає у збільшенні бітової ємності комірок, та зменшенні розмірів цих комірок не могла тривати безкінечно. В один момент вчені просто “вперлися” в можливості обладнання створювати компоненти мікроелектроніки в певному розмірі (виражається в нанометрах (нм) та часто називається техпроцесом).

Саме тоді і була запропонована ще одна чудова ідея. “А що, якщо розширяти наш умовний “склад” комірок не лише в одній площині, але і зробити його багатоповерховим?”

Пам’ять, створену за такою концепцією і назвали 3D NAND. При цьому новий вид пам’яті продовжував складатися з SLC, MLC, TLC та QLC комірок.

Однією із перших цю концепцію застосувала компанія Samsung. У них така конструкція пам’яті називалась V-NAND (Vertical NAND). Реалізація від Toshiba та SanDisk назвалась BiCS 3D NAND. Це дозволило відкотити виробництво до більш стабільного техпроцесу, а також збільшити швидкість зчитування даних.

На даний момент виготовляється пам’ять до 176 шарів комірок, одне на одному. (Анонсовано розробку пам’яті до 600 шарів)

Виросла також і кількість гарантованих циклів перезапису до відмови, порівняно із 2D пам’яттю. До прикладу 3D NAND TLC пам’ять по більшості характеристик буде кращою за звичайну 2D MLС.

Які недоліки є у SSD пам’яті

Щоб ускладнити вам вибір (найлегший варіант це послухати якогось дядьку з ютуба), та дати можливість самостійно оцінювати якість SSD ми розповімо вам про недоліки та підводні камені, які можуть вас зустріти при виборі SSD у форматі списку.

• Збільшення кількості бітів у комірці не могло пройти безслідно. Чим більше порогових напруг потрібно записати та зчитати з транзистора, тим більшою є імовірність записати хибний результат. Тоді і значення в усьому кластері буде некоректним (при похибці замість “0011” можна отримати “0010” або “0100”). Також збільшується кількість записів у комірку. Якщо в SLC це 1 біт, який потребує запису, то в комірку MLC потрібно записати 2 біти інформації, відповідно транзистор швидше зношується. Тому найненадійнішою вважається QLC пам’ять. Зазвичай користувачі залежно від фінансів вибирають або MLC, або TLC пам’ять.
  Дисків на SLC майже немає у продажі. Вони вважаються найдорожчими та використовуються переважно в комерційному сегменті, де потрібна максимальна надійність зберігання даних та довговічність диска, незважаючи на його вартість.
• Також в SSD існують такі поняття як Корекція та Стискання даних. У першому випадку при записі некоректного значення у одну комірку, його повторно записують в іншу. У випадку стискання даних, SSD спочатку записує дані в велику кількість комірок по всьому диску для забезпечення швидкості запису, а згодом “утрамбовує” дані в меншій кількості комірок. В обох випадках це впливає на довговічність та швидкість роботи диска. Саме тому існує рекомендація купляти диски з більшим об’ємом пам’яті, щоб дані процедури відбувалися не так часто, та постійно задіювались інші комірки. Тобто диски з однаковим типом пам’яті, але різного об’єму матимуть різну довговічність. 1ТБ пропрацює довше ніж 500GB. Також більший об’єм пам’яті дозволить виділити місце під “резерв”, який інколи пропонує зробити програмне забезпечення (наприклад Samsung Magician) для продовження часу роботи диска.

Діліться і своїми знаннями про SSD у коментарях а також доповнюйте матеріал власними знаннями. Надіємось вам було цікаво!

Технология флеш-памяти NAND и твердотельные накопители (SSD)

Если у вас есть USB-накопитель или SD-карта Kingston, у вас уже есть продукты с флеш-памятью, также известной как флеш-память NAND. В глобальном масштабе потребление флеш-памяти NAND резко выросло за последние пять лет, и новые продукты, такие как твердотельные накопители, в настоящее время широко внедряются в корпоративные вычислительные устройства, — ноутбуки, настольные компьютеры, рабочие станции и серверы.

Вот краткое описание того, что вам нужно знать о флеш-памяти NAND.

Энергонезависимая флеш-память NAND

Одним из преимуществ флеш-памяти NAND является энергонезависимое хранение данных. В отличие от памяти DRAM, которой необходимо постоянное питание для хранения данных, память NAND сохраняет данные даже при отключенном питании. Поэтому она идеально подходит в качестве хранилища для портативных устройств.

Типы флеш-памяти NAND

В настоящее время существует пять типов флеш-памяти NAND. Они различаются количеством битов, которые может хранить каждая ячейка. В SLC NAND — один бит на ячейку, MLC — два бита на ячейку, TLC — три бита на ячейку, QLC — четыре бита на ячейку, PLC — пять бит на ячейку. Таким образом, SLC NAND может хранить «0» или «1» в каждой ячейке, MLC NAND — «00», «01», «10» или «11» в каждой ячейке и так далее. Эти пять типов памяти NAND обеспечивают различные уровни производительности и срока службы в различных ценовых категориях (SLC является более производительным и наиболее дорогостоящим вариантом на рынке памяти NAND). Узнайте больше о различиях между разными типами памяти NAND.

Память 3D NAND

В 3D NAND несколько слоев ячеек памяти размещаются вертикально, и между слоями организованы взаимосвязи. Организация нескольких уровней ячеек памяти в вертикальные слои обеспечивает большую емкость хранилища при меньшей площади и повышает производительность благодаря более коротким общим соединениям для каждой ячейки памяти. Этот тип памяти отличается меньшей стоимостью на бит по сравнению с 2D NAND. Во флеш-устройствах 3D NAND могут использоваться чипы MLC, TLC или QLC.

Выравнивание износа ячеек памяти NAND

Ячейки NAND не предназначены для вечной эксплуатации. В отличие от памяти DRAM, они со временем изнашиваются, поскольку циклы записи создают большую нагрузку по сравнению с циклами чтения. Устройства памяти NAND имеют ограниченное количество циклов записи, но функция выравнивания износа управляет износом ячеек с помощью контроллера флеш-памяти, который всегда находится на устройстве. На всех USB-накопителях, SD-картах и твердотельных накопителях есть контроллер NAND, который управляет флеш-памятью NAND и выполняет такие функции, как выравнивание износа и исправление ошибок.

Чтобы продлить срок службы устройств памяти NAND, контроллер флеш-памяти NAND гарантирует, что все записанные данные равномерно распределяются по всем физическим блокам устройства, чтобы какие-то области NAND не изнашивались быстрее, чем другие.

Твердотельные накопители (SSD)

За последние несколько лет стоимость флеш-памяти NAND упала в достаточной степени, чтобы для клиентских систем и серверов стало возможным использование новых основных устройств хранения, таких как твердотельные накопители. Твердотельные накопители — это прямая замена жестких дисков (стандартных вращающихся) в компьютерах с совместимыми интерфейсами, такими как SATA или SAS.

Твердотельные накопители обладают значительными преимуществами в плане производительности и долговечности по сравнению со стандартными жесткими дисками. Твердотельные накопители не имеют движущихся частей; все они являются полупроводниковыми устройствами. В связи с этим твердотельные накопители не страдают от механических задержек, как жесткие диски. А без движущихся частей SSD-накопители могут подвергаться гораздо большим ударным нагрузкам и вибрации, чем жесткие диски, благодаря чему отлично подходят для широкого спектра портативных и мобильных устройств.

Раньше твердотельные накопители разрабатывались на основе чипов DRAM и были дорогостоящими, что делало их пригодными только для требовательных серверных сред.

Сегодня благодаря более низкой стоимости флеш-памяти NAND твердотельные накопители используются в самых разных сферах применения — от потребительских устройств до корпоративных и военных вычислительных систем.

Срок службы SSD

Компания Kingston использует флеш-память NAND с номинальным сроком службы, подходящим для рабочей нагрузки твердотельного накопителя. В результате Kingston может по конкурентоспособной цене предложить твердотельные накопители для различных вариантов применения.

Твердотельные накопители Kingston клиентского и корпоративного класса обладают номинальным сроком службы, соответствующим целевой рабочей нагрузке. Для клиентских SSD-накопителей компания Kingston предоставляет спецификацию TBW (количество записанных терабайтов), благодаря чему пользователи могут прогнозировать срок службы SSD-накопителя в своем варианте применения.

Корпоративные твердотельные накопители Kingston оцениваются аналогично с использованием спецификации TBW, а также характеризуются значением DWPD (количество перезаписей всего объема накопителя в день), которое определяется на основе TBW и гарантийного срока SSD-накопителя. Например, твердотельный накопитель емкостью 1 ТБ с номинальным эксплуатационным ресурсом 1DWPD означает, что пользователь может записывать на SSD-накопитель 1 ТБ данных в день в течение 5 лет. Значения TBW/DWPD помогают корпоративным клиентам, которые развертывают твердотельные накопители Kingston в своих корпоративных средах, планировать ИТ-инфраструктуру.

Компания Kingston предоставляет программную утилиту “KSM” (Kingston Storage Manager) для отслеживания срока службы SSD-накопителя. Думайте о ней как о датчике уровня топлива, по которому пользователь может периодически проверять состояние SSD-накопителя.

Производительность твердотельного накопителя

Большинство клиентских систем более не ограничено производительностью процессора. Практически всегда ограничивающим фактором является хранилище. Задержка в работе жестких дисков исчисляется в миллисекундах, в то время как для твердотельных накопителей она составляет сотни микросекунд.

SSD-накопитель может вдохнуть новую жизнь даже в системы, выпущенные несколько лет назад (если они имеют интерфейс, совместимый с SATA), и обеспечить их высокую производительность. В системе на основе ОС Windows® время загрузки сокращается с многих минут до одной или менее, что делает SSD-накопитель средством повышения производительности памяти. В целом, он часто обеспечивает самый высокий прирост производительности по сравнению с любой другой модернизацией системы.