Накопители на основе флеш-памяти. Как сделать правильный выбор

В этой статье мы кратко рассмотрим архитектуру и строение флеш-памяти и определимся с выбором промышленного SSD-накопителя.

Твердотельный или SSD-накопитель (Solid State Drive) является компьютерным не механическим запоминающим устройством, состоящем из микросхем памяти и микроконтроллера.

Флеш-память (англ. flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).

Архитектуры NOR и NAND

Существуют две архитектуры флеш-памяти - NOR и NAND различающиеся, в первую очередь, по методу соединения ячеек памяти. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, которые и определяют сферы применения каждой технологии.

Память NOR, названная так в честь особой разметки данных (Not OR – логическое НЕ-ИЛИ). Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке.

Благодаря такой компоновке, NOR предоставляет возможность высокоскоростного, случайного доступа к информации, и обладает способностью записывать и считывать данные в определенном участке без необходимости обращаться к памяти последовательно. В отличие от NAND памяти, память NOR позволяет обращаться к данным размером до одного байта.

Технология NOR выигрывает в ситуациях, когда данные случайным образом записываются или читаются. Поэтому NOR чаще используется как память программ микропроцессоров, например, память BIOS персонального компьютера, память для хранения небольших вспомогательных данных, или память сотовых телефонов и планшетов для хранения операционной системы.

Память NAND названа в честь особой разметки данных (Not AND – логическое НЕ-И). В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одной ячейки (транзистора) в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек.

NAND память записывает и считывает данные с высокой скоростью, в режиме последовательного чтения, упорядочивая данные в небольшие блоки, страницы. Память NAND может считывать и записывать информацию постранично, но в отличии от NOR не может обращаться к конкретному байту.

Цена на SSD-накопителя с использованием NAND архитектуры меньше NOR и микросхемы NAND обладают большей плотностью информации на матрицу. NAND архитектуру обычно используют в SSD, USB-накопителях, картах памяти, в мобильных телефонах для хранения пользовательской информации, и других устройствах, в которых данные записываются последовательно.

Для нас наибольший интерес представляет именно NAND архитектура, применяемая при производстве большинства современных твердотельных накопителей.

Второе поколение NAND - 3D NAND

Причиной возникновения второго поколения NAND стало стремление производителей снизить стоимость изготовления флэш-памяти в условиях, когда техпроцесс приблизился к 10 нанометрам и дальнейшее уменьшение кристалла по осям X и Y стало невозможным.

Отличительной особенностью новой NAND архитектуры является вертикальная компоновка блока ячеек на кристалле, благодаря чему добавилась еще одна ось – вертикальная ось Z. Наложение ячеек производится слоями, в результате каждый кристалл имеет многослойную 3D структуру.

Такая вертикальная структура обеспечила прорыв в плотности флеш-памяти. Появление вертикальной оси сняло зависимость от других осей, благодаря чему необходимость в уменьшении кристалла пропала, и многие производители вернулись к техпроцессу 30 нанометров, что в итоге привело к снижению стоимости выпускаемой продукции.

Ячейки памяти

Существуют устройства, в которых элементарная ячейка хранит один, два, три или четыре бита информации. Физически все четыре типа ячеек NAND-памяти состоят из одинаковых транзисторов. Отличается только количество хранимого ячейкой памяти заряда.

В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (single-level cell, SLC). SLC память имеет самую высокую цену, высокую производительность, низкое энергопотребление, наибольшую скорость записи и количество циклов Program/Erase.

В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда; их называют многоуровневыми (multi-level cell, MLC). MLC-устройства дешевле и более ёмки, чем SLC-устройства, однако имеют более высокое время доступа и примерно на порядок меньшее максимальное количество перезаписей. Обычно под MLC понимают память с 4 уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку.

Более дешёвую в пересчёте на объём память с 8 уровнями (3 бита) называют TLC (Triple Level Cell). TLC также отстает от SLC и MLC по скорости чтения и записи и ресурсу в циклах Program/Erase.

Существуют также устройства с 16 уровнями на ячейку (4 бита), QLC (quad-level cell). QLC является самой доступной по стоимости хранения 1 ГБ данных, приближаясь по данному параметру к традиционным жестким дискам.

На сегодняшний день многоуровневая память доминирует на рынке. Тем не менее, SLC-изделия, несмотря на многократно меньшую ёмкость и высокую стоимость, продолжают разрабатываться и выпускаться для особо ответственных применений.

Выбор флеш-накопителя для промышленного компьютера на примере решений от компании Innodisk

Выбор твердотельного накопителя для компьютера зависит от нескольких факторов. В первую очередь такими являются: форм-фактор, сфера применения, условия эксплуатации, скорость и ресурс.

Форм-фактор

Подбор любого устройства хранения данных начинается с определения слота и разъема, в который это устройство будет установлено. На сегодняшний день на рынке доступно множество форм-факторов и интерфейсов для подключения накопителей на основе флеш-памяти. Самым распространённым, пожалуй, является форм-фактор 2.5 дюйма c интерфейсом подключения SATA третьего поколения. Разъем 2.5” SATA есть практически в каждом современном персональном компьютере или ноутбуке и является универсальным, как для установки классического жесткого диска, так и для установки твердотельного накопителя на основе флеш-памяти.

Условия эксплуатации

Промышленный компьютер отличается от своего домашнего собрата в первую очередь: возможность бесперебойной работой в режиме 24/7/365, стойкостью к температурным скачкам, вибрациям, ударам и повышенной влажности. Высокие требования, предъявляемые к промышленному компьютеру, распространяются на все его компоненты, в том числе на устройство хранения данных.

В зависимости от степени стойкости к перечисленным факторам различается и цена устройства на основе флеш-памяти. Поэтому, важно определить в каких условиях будет эксплуатироваться конечное изделие и каким температурным нагрузкам будет подвергаться.

Несмотря на то, что вся продукция компании Innodisk относится к промышленному классу и имеет множество физических и технологических средств защиты от внешних факторов.

Устройства на основе флеш-памяти можно условно разделить на два больших направления:

• Продукция стандартного температурного режима
• Продукция расширенного температурного режима

Ресурс. Скорость

Как мы выяснили ранее, существуют ячейки флеш-памяти способные хранить 2 (SLC), 4 (MLC), 8 (TLC) или 16 (QLC) уровней заряда. В промышленной флеш-памяти Innodisk используют только первые три, это связано с повышенными требованиями к надежности. Алгоритм обработки заряда, состоящего из 16 уровней слишком сложный, а в условиях скачков напряжения и радиочастотных помех, которые могут возникать при эксплуатации промышленного компьютера, это может привести к быстрому снижению остаточного ресурса и как следствие к потере данных.

Кроме трех основных типов ячеек памяти существует ячейки MLC корпоративного сегмента - eMLC. У компании Innodisk такие ячейки носят название iSLC и являются золотой серединой между выносливостью SLC и более доступной ценой MLC.

Накопители iSLC демонстрируют производительность и надежность сопоставимую с SLC продуктами, но построены на аппаратной части MLC памяти, благодаря чему являются более доступными решением, подходящим для серверов и систем корпоративного сегмента.

При использовании SSD на базе технологии iSLC можно быть уверенным в сохранности данных — срок эксплуатации увеличен в несколько раз по сравнению со стандартными MLC-продуктами.

Для наглядности, можно составить сравнительную таблицу ячеек памяти, используемых в флеш-накопителях, по соотношению цена/выносливость/скорость.

Сравним четыре твердотельных накопителя производства компании Innodisk форм-фактора 2,5” SATA объемом 128 Гигабайт, расширенного температурного режима (-40…+85), предназначенных для встраиваемых систем.

Расшифровка наименования SSD от компании Innodisk

Форм-фактор. Тип памяти. Серия.

В модельном ряду крупных производителей промышленных решений на основе флеш-памяти, таких как компания Innodisk, можно встретить множество устройств с похожими техническими характеристиками, относящихся к разным сериям.

Чтобы не заблудится в подобном изобилии и выбрать накопитель, подходящий именно для ваших задач, сначала нужно разобраться, какие именно бывают SSD и для чего они предназначены.

Для примера рассмотрим SSD-накопитель 2.5 дюйма с интерфейсом SATA:

Левая часть наименования (2.5" SATA SSD) – форм-фактор.

Правая (3MV2-P) – серия. Разберем ее более подробно.

(3) – Поколение: 1, 2, 3.
Может быть Первое, второе или третье.

(M), обозначает тип NAND флеш-памяти: S, M, I, T.
S: SLC
Имеет высокую скорость записи, низкое энергопотребление и высокую выносливость. Твердотельные накопители на основе SLC флэш-памяти отличаются высокой надежностью и лучше подходят для ответственных применений.
M: MLC
Основное преимущество MLC флеш-памяти в её более низкой стоимости в связи с более высокой плотностью данных. Это преимущество делает твердотельные накопители на основе MLC флэш-памяти прекрасной заменой традиционным жёстким дискам HDD.
I: iSLC
iSLC - это эксклюзивная технология программного обеспечения от Innodisk, которая улучшает скорость обмена и качество данных, приближая их к скорости записи накопителей на основе Flash-памяти SLC. Благодаря использованию алгоритмов управления Flash-памятью, iSLC повышает выносливость твердотельного накопителя SSD до 20.000 циклов.
T: TLC
3D Flash-память на базе TLC представляет собой новую технологию с обновленной архитектурой. Данное решение обеспечивает более высокую плотность записи информации при меньшей стоимости.

(V) - сфера применения, серия. Различают: E, G, R, V, S.
E: Embedded
Накопители, оптимизированные для встраиваемых систем промышленного класса
G: EverGreen
Хорошая скорость и долгий срок службы
V: InnoREC
SSD для видеонаблюдения
R: InnoRobust
Серия для самых ответственных применений
S: Server
Серверные загрузочные устройства
I: InnoAGE
SSD с Microsoft Azure Sphere внутри

(2) – производственная серия продукции.
Значение может находится в пределах от 1 до 10, или может отсутствовать. Не является определяющим при выборе SSD-накопителя.

(-P) указывает на наличие кэша на основе DRAM памяти.
Буфер обмена (кэш) используется преимущественно для хранения таблицы трансляции адресов, что увеличивает скорость доступа ко флеш-памяти и записи файлов.
На каждый 1 Гб объема SSD должно приходиться 1 Мб кэша. Таким образом SSD объемом 120-128 Гб должен иметь 128 Мб, 240-256 Гб – 256 Мб, 500-512 Гб – 512 Мб, 960-1024 Гб – 1024 Мб кэша.
Скорость SSD-накопителя без DRAM буфера будет снижаться при длительных операциях записи мелких файлов.

Основные серии SSD-накопителей Innodisk

Сфера применения.

Embedded
Серия Embedded является лучшим решением для встраиваемых систем промышленного класса, потому что продукты данной серии обладают высокой надежностью и длительным сроком службы.

EverGreen
Серия EverGreen разработана с интегрированным внешним DRAM-кэшем, который значительно улучшает скорость обмена данными с SSD и продлевает срок его службы.

InnoREC
SSD-накопители InnoREC специально разработаны для видеонаблюдения и имеют интеллектуальные алгоритмы прошивки, которые гарантируют непрерывную стабильную запись данных.

InnoRobust
Серия InnoRobust отвечает всем современным требованиям к устройствам для ответственных применений. Данная серия полностью совместима со стандартами аэрокосмических и оборонных систем, в том числе MIL-STD-810F/ G и MIL-I-46058C. Твердотельные накопители серии InnoRobust полностью защищены от пыли, ударов, вибраций и экстремальных температур.

Server
Серверные загрузочные устройства SATADOM и предназначены для простой интеграции в сервер и получения надежного решения. Устройства сертифицированы для Windows Server 2016 Hyper V и VMware.

InnoAGE
SSD с Microsoft Azure Sphere внутри. Azure Sphere — это защищенная платформа приложений высокого уровня со встроенными функциями взаимодействия и обеспечения безопасности, предназначенная для устройств, подключенных к Интернету.

Кроме перечисленных выше серий, в модельном ряду компании Innodisk есть уникальный продукт - Огнеупорные накопители 3.5” Fire Shield SSD.

SSD-накопители серии 3.5” Fire Shield SSD способны противостоять воздействию открытого огня температурой 800^oC на протяжении 30 минут, надежно защищающая элементы памяти от внешних воздействий.

Заключение

Подводя итоги, хочу отметить, в данной статье мы с вами:

• Узнали, что такое SSD.
• Дали определение флеш-памяти и выяснили какие бывают архитектуры (NOR, NAND).
• Разобрались, почему именно NAND архитектура лучше подходит для SSD-накопителей.
• Нашли отличия между типами ячеек NAND памяти (SLC, MLC, TLC, QLC).
• Сравнили несколько продуктов компании Innodisk, определили какие типы ячеек обладают наибольшей выносливость и надежностью, а какие доступной ценой.
• Определили, что такое форм-фактор и какие используются в современных промышленных ПК.
• На примере SSD от компании Innodisk разобрали, какие серии продукции существуют и для каких задач они лучше подходят.

Надеюсь, изложенный материал оказался полезным и вам стало проще ориентироваться в мире промышленных накопителей на основе флеш-памяти.