За последние несколько лет компания Samsung сумела стать ключевым игроком на рынке твердотельных накопителей. Стратегия компании состоит в полной вертикальной интеграции производства от начала до конца.

Это позволяет компании держать первенство по внедрению новейших перспективных технологий. Компания одновременно занимается выпуском как контроллеров, так и флэш памяти.

По этой причине у Samsung есть невероятное инженерное преимущество, поскольку для данной компании ввод устройства в эксплуатацию и отладка нового дизайна не требует стороннего участия. Мы уже наблюдали примеры реализации данного преимущества. Здесь уместно будет вспомнить о серии SSD 840, которые стали первыми продуктами массового производства на базе трехбитной TLC NAND. Благодаря использованию данной технологии компании Samsung удалось покорить рынок массовых флэш-дисков. Серия 840, в которой используется недорогая TLC-память собственного самсунговского производства, а также 840 EVO отличаются оптимальным соотношением стоимости и производительности. В конечном итоге такое соотношение сделало эти серии одними из самых популярных решений.

Спустя два года с момента появления TLC NAND, компания Samsung снова решила совершить мощный технологический прорыв и выпустить новаторские накопители серии 850 Pro. Это первые потребительские накопители SSD, в которых была использована принципиально новая технология MLC NAND с трехмерной компоновкой. Samsung 850 Pro официально пока не поставляется на российский рынок. Однако нам удалось заполучить и протестировать один экземпляр этого многообещающего твердотельного накопителя. Может ли данный SSD накопитель занять достойное место лучшего флэш-диска для ПК? Попробуем разобраться в данном вопросе…

Новая парадигма флэш-памяти Samsung V-NAND

Память типа NAND изменила практически весь рынок хранения информации. Накопители, в основе которых используются не традиционные жесткие магнитные диски, а флэш-память, смогли поставить производительность на новый уровень. Это сделало данную технологию одной из наиболее востребованных за последнее десятилетие. Память NAND в то же время является далеко не новым изобретением. Данный тип памяти на самом деле появился еще в 70-е годы прошлого столетия. Однако этот тип памяти долгое время из-за своей высокой стоимости не мог проникнуть в сегмент устройств для широкого потребления. В конце концов технологический процесс сумел сделать такую память приемлемой по цене. Теперь уже сложно представить себе современный высокопроизводительный компьютер без SSD с TLC NAND или MLC.

Основную роль в деле снижения стоимости флэш-памяти сыграло усовершенствование полупроводниковых технологических процессов. Именно они используются при производстве NAND кристаллов. Площадь получающихся кристаллов может быть снижена за счет уменьшения норм производства, повышая таким образом плотность хранения информации. В конечном итоге это приводит к уменьшению стоимости твердотельных накопителей. Массовое проникновение SSD накопителей на рынок компьютерной техники началось при переводе процесса производства кристаллов для создания флэш-памяти с 50 нм на 30. Сегодня уже в ходу техпроцессы с нормой менее 20 нм. Стоимость флэш-дисков закономерно уменьшается.

Следует отметить, что невозможно до бесконечности совершенствовать техпроцессы. Производители флэш-памяти уже ощущают на себе неминуемое приближение к технологическому пределу. Все дело в том, что из-за уточнения производственных норм и уменьшения геометрических размеров транзисторов, у памяти снижается и уровень надежности. Так, например, память, которая выпускалась по технологии 50 нм, была способна выдержать 10 000 циклов перезаписи. Сегодня память типа NAND, выпускаемая по технологии 20 нм, рассчитана в лучшем случае на 3000 циклов записи-стирания.

Иначе говоря, на пути дальнейшей масштабируемости памяти NAND встают серьезные препятствия. Это вовсе не означает, что дальнейший прогресс невозможен. На помощь в данном случае приходят новые идеи, которые вносят изменения в конструкционные принципы флэш-памяти, а также позволяют увеличить плотность хранения информации без уменьшения размера ячейки. Первая идея заключается в том, чтобы увеличить разрядность ячеек при переходе от SLC NAND к TLC и MLC памяти, в которой в каждой ячейке хранится не один бит информации, а два или три.

Это достигается за счет внедрения большого числа сигнальных напряжений. В то время, как ячейки SLC используют только два уровня напряжения, который соответствует логическому состоянию 0 и 1, в ячейках MLC используется уже четыре напряжения, а в TLC ячейках восемь. Такой путь на самом деле является тупиковым. Если переход к MLC уже можно считать состоявшимся делом, то при переходе к TLC NAND могут возникнуть серьезные проблемы. Практика показывает, что именно эти проблемы, сдерживают распространение данной технологии.

Все дело в том, что из-за использования большого количества напряжений в плавающем затворе возможно, только если затвор достаточно массивен и способен удерживать значительное количество электронов. Однако внедрение техпроцессов с тонкими нормами приводит к сокращению размеров ячеек. По этой причине выпуск памяти TLC по технологии 10 нм становится не выгодным по экономическим соображениям. Снижается не только выход подходящих кристаллов, но и уровень надежности распознавания сигналов.

Из-за этого управляющая логика может потребовать внедрения более сложных схем АЦП и контроля целостности информации. Особо остро стоит еще одна довольно серьезная проблема: ячейки могут оказывать друг на друга взаимное влияние из-за того, что их электрическое поле порождает интерференционные процессы. Очевидно в этом случае необходимо использовать несколько иной подход. Именно таким подходом, который в ближайшие годы должен стать катализатором развития рынка флэш-памяти в ближайшие годы, является 3D NAND. Суть данной технологии заключается в том, что вместо увеличения плотности хранения информации на двумерной плоскости полупроводникового кристалла предлагается использовать вертикальное измерение и располагать ячейки не только вдоль одной плоскости, но и послойно.

Первым производителем, который смог пойти на массовое производство такой памяти стала компания Samsung. В ее исполнении такая память носит название V-NAND (V от слова Vertical). Другие производители, такие как Toshiba, Micron, Sk Hynix и SanDisk только собираются приобщиться к этой перспективной технологии. Интересно то, что 3D NAND делает гонку нанометров совершенно ненужной.

Тот же производитель Samsung после внедрения своей планарной памяти по технологии 19 нм для изготовления решила не идти на следующий шаг, а наоборот откатилась на технологический процесс в 40 нм при переходе на выпуск V-NAND. Высокая плотность хранения информации, которая не уступает обычной NAND, выпускаемой другими производителями по технологическому процессу 16 или 19 нм, обеспечивается многослойной компоновкой. Основной выигрыш получается по другой причине: крупные полупроводниковые элементы и зрелые технологии заметно увеличили ресурс памяти и дали возможность избежать проблем с низким процентом выхода годных кристаллов.

Компания Samsung еще в прошлом году представила первые твердотельные накопители, которые основаны на V-NAND первого поколения. Эти новаторские SSD были ориентированы на серверное применение. Устройства отлично себя зарекомендовали. В использовавшейся в них памяти было совмещено 24 вертикальных уровня, на которых располагаются ячейки. Это позволило увеличить производительность на 20%, примерно в два раза увеличить надежность и заметно улучшить экономичность флэш-дисков.

Эти достижения дали компании Samsung все основания для того, чтобы продолжить дальнейшие разработки в данном направлении. Теперь компания готова внедрить данную технологию в массовое производство. В арсенале компании Samsung появилась флэш-память V-NAND второго поколения, в которой используется 32 вертикальных уровня, а также новый потребительский накопитель, выполненный на ее основе – SSD 850 Pro.

Следует отметить, что V-NAND не просто предлагает располагать ячейки слоями. Технология предусматривает внесение некоторых изменений и в базовое устройство самих ячеек флэш-памяти. Компания Samsung использовала технологию Charge Trap Flash (флэш с ловушкой заряда). Данная технология была разработана инженерами компании Samsung еще в 2006 году. Идея заключается в том, что весь заряд хранится не плавающем затворе, выполненном из поликристаллического кремния, а в тонком слое нитрида кремния.

Данная технология прекрасно адаптируется под трехмерный дизайн: достаточно разместить диэлектрик между полупроводниковыми каналом и управляющим затвором цилиндрами. В конечном итоге это позволяет увеличить надежность схемы и уменьшить вероятность возникновения структурных дефектов в случае многослойного производства. Технология CTF к тому же дает возможность снизить уровень напряжения, необходимый для программирования ячеек. Это, конечно же, положительно сказывается на времени жизни ячеек.

Ресурс Samsung V-NAND в результате ощутимо возрос: кристаллы флэш-памяти, используемые в Samsung 850 Pro, могут вынести до 35 000 циклов программирования и стирания. Это значит, что система стала на порядок выносливее современной плоской MLC NAND, которая как правило применяется в потребительских SSD. Также снижение программирующего напряжения положительно сказывается на уровне энергопотребления и на производительности системы в процессе записи.

Еще одним важным преимуществом V-NAND является ее компактность. Полупроводниковые кристаллы V-NAND, которые выпускаются по технологии 40 нм и используются в Samsung 850 Pro, обладают емкостью 86 Гбит. При этом их площадь составляет примерно 95 мм2. Плотность хранения данных в V-NAND превышает плотность размещения информации в 16-нм планарных кристаллах памяти от компании Micron где-то на 20%. Также благодаря тому, что компания Samsung осуществляет полный производственный цикл от начала до конца, она обладает возможностью установки в одну микросхему до 16 ядер V-NAND. Это значит, что максимальный объем микросхемы флэш-памяти может достигать значения 172 Гб.

Многие преимущества технологии V-NAND проявятся лишь со временем. Так, например, интерфейс SATS 6 Гбит/с в совокупности с протоколом AHCI не позволяет раскрыть всю скорость новой памяти. В будущих моделях SSD при использовании интерфейса PCI Express можно раскрыть весь потенциал новой технологии. Самое главное преимущество заключается в том, что технология трехмерной памяти заключается в том, что она прекрасно масштабируется. Вряд ли емкость простых плоских чипов превысит 128 Гбит. Технология V-NAND позволяет добавлять новые уровни, наращивая таким образом емкость. В планах компании Samsung в 2017 году наладить выпуск терабитных кристаллов.

И нет никаких предпосылок к тому, что данный рубеж не будет взят. Производимая по более зрелым технологическим процессам V-NAND может быть легко переведена на дизайн TLC и это не приведет к снижению надежности. Однако такой возможности в данный момент не рассматривается. Скорее всего в ближайшее время упор будет сделан именно на масштабирование памяти в вертикальном измерении. В настоящее время можно рассчитывать на повсеместное внедрение V-NAND во многих устройствах от Samsung.

Только ради производства данного типа памяти компания запустила новый завод в городе Сиань. К концу этого года он должен выйти на полную мощность. Интерес представляет тот факт, что 40-нм техпроцесс, применяемый на этом заводе, позволил обойтись достаточно дешевым оборудованием. Добавление новых слоев в трехмерную NAND практически не требует дополнительных вложений. 32-слойная память производится на тех же линиях, где раньше выпускалась память с 24 слоями. Это значит, что еще одно преимущество данной технологии заключается в возможность экономии на техническом переоснащении производства при увеличенной плотности хранения информации.

Получается, что технология V-NAND может одновременно похвастать всеми возможными преимуществами. Она очень надежна, предлагает высокую плотность хранения информации, энергоэффективна, да и стоимость ее производства относительно невысока. Если поместить такую память в накопитель с современным контроллером, то должна получиться потрясающая модель, превосходящее все то, что выпускалось ранее. Появилась ли сегодня такая модель? Давайте подробнее рассмотрим 850 Pro.

Технические характеристики Samsung 850 Pro

Что представляет собой новый флагманский накопитель Samsung 850 Pro? Это дальнейшее логическое продолжение линейки потребительских SSD компании. Samsung при этом строго и последовательно внедряет инновации. V-NAND единственное, что принципиально отличает 850 Pro от предшественников. В данном накопителе используется привычный интерфейс SATA 6 Гбит/с. В основе устройства лежит хорошо знакомый потребителям восьмиканальный контроллер MEX, который довольно давно используется в серии 840 EVO.

Контроллер MEX сохранил рабочую частоту в 400 МГц. Стоит отметить, что в прошлой флагманской модели флэш-диска Samsung 840 Pro, контроллер MDX, который имеет аналогичную архитектуру, работает на частоте 300 МГц. Микропрограмма Samsung 850 Pro была практически полностью переписана. Именно через нее реализуется поддержка V-NAND. Такие характеристические особенности данной памяти, как низкие латентности при записи и стирании информации и более высокий ресурс ячеек, требуют специальной оптимизации.

Производительность Samsung 850 Pro во многом сдерживается возможностями интерфейса SATA 6 Гбит/с. Однако даже простые формальные спецификации дают возможность прочувствовать мощь, скрытую в этом флэш-приводе. Стоит обратить внимание на скоростные характеристики младшей модели, емкость которой составляет 128 Гб. Эта модификация практически ни в чем не уступает старшим собратьям, несмотря на то, что ее контроллер не может использовать чередование устройств на своих каналах.

Типичная скорость записи для 128 Гб SSD составляют примерно 300 Мбайт/с. Samsung 850 Pro данного объема выдает максимальное значение – 470 Мб/c. Это указывает на более высокую скорость записи, которая обеспечивается именно использованием технологии V-NAND. Похоже, что когда компания Samsung наконец выпустит флэш-привод, основанный на V-NAND с интерфейсом PCI-Express, то это будет настоящая сенсация. Однако до этого нужно еще дожить.

Еще одно явное преимущество V-NAND заключается в высокой надежности. Все модификации, в том числе и самая младшая модель, имеют ресурс записи на уровне 150 Тб. Как подчеркивает производитель, такой ресурс был установлен по политическим соображениям для того, чтобы Samsung 850 Pro не создал внутреннюю конкуренцию серверным моделям, которым гарантирована более высокая надежность. Объем данных, который на самом деле можно записывать на новые накопители SSD с трехмерной флэш-памятью, измеряется петабайтами.

Это значит, что проблема исчерпания ресурса записи вообще не возникает. Именно по этой причине срок гарантийного обслуживания памяти составляет 10 лет. Хочется также отметить, что в Samsung 850 Pro был реализован целый ряд технологий, которые могут быть очень полезны при установке данного накопителя на портативные устройства. В SSD была улучшена поддержка состояния DevSleep, которое позволяет отправлять накопитель в режим сна с уровнем энергопотребления порядка 2 мВт. Контроллером также поддерживается постоянный мониторинг температуры. В случае нагрева накопителя до критического состояния автоматически будет включен троттлинг.

В Samsung 850 Pro также реализовано аппаратное шифрование по алгоритму AES с 256-битным ключом. Криптографический движок, как и в более ранних SSD, совместим со спецификациями TCG Opal 2.0 и Windows eDrive (IEEE 1667). Управление шифрованием можно осуществлять через среду операционной системы, используя стандартное средство BitLocker.

Остается только добавить, что компания Samsung относится к тем производителям, которые заботятся о предоставлении пользователю сервисных утилит. С Samsung 850 Pro прекрасно работает программа Samsung Magician, которая обладает широким набором возможностей, в том числе обновлением прошивки, оптимизацией операционной системы и мониторингом состояния флэш-диска. Отдельно следует упомянуть о технологии повышения быстродействия RAPID, реализованной в Samsung Magician. Она позволяет выделить часть оперативной памяти для кэширования обращений к SSD. Скорость обмена информацией при этом возрастает. Однако платить за такое приходится потерей кэшированной информации в случае внезапных перебоев с электропитанием.

Внешний вид

На тест к нам попала модификация Samsung 850 Pro, емкостью 256 Гб. Эта модель с точки зрения технических характеристик обладает максимальной производительностью. Внешне она мало чем отличается от предыдущих версий флэш-дисков Samsung. В устройстве используется все тот же 2,5 дюймовый корпус с высотой 7 мм, что и в флагманской модели. Корпус устройства имеет черный цвет, на лицевой стороне краской нанесен логотип Samsung. С обратной стороны корпуса имеется этикетка, из которой можно получить всю необходимую информацию о емкости, серийном номере и артикуле модели.

Интерес представляет также и внутреннее устройство Samsung 850 Pro. Прежде всего в глаза бросается, что в основе SSD используется печатная плата несколько урезанного размера. На плате размещено шесть микросхем. Первая представляет собой контроллер MEX. Стоит отметить, что на нем отсутствуют теплопроводящие прокладки и он не соприкасается с корпусом. Это значит, что производитель уверен в том, что тепловыделение контроллера незначительно. Над контроллером размещена микросхема памяти. Что касается оставшихся четырех микросхем, до здесь набор получился довольно необычный.

Так как емкость кристаллов V-NAND составляет 86 Гб, в 256-Гб SSD накопитель пришлось поместить сразу два типа микросхем: две с восемью ядрами и две с четырьмя ядрами. Таким образом, контроллер адресует по восьми каналам 24 ядра, т.е. в каждом канале пользуется трехкратным чередованием устройств. Однако это не представляет никакой проблемы и при любых вариантах нагрузки Samsung 850 Pro демонстрирует максимально возможную скорость.