Flash – технология сегодняшнего дня

«Никакая армия не сравнится с силой идеи, время которой пришло!» – это известная цитата французского писателя XIX в. Виктора Гюго. Почему мы решили начать статью с этой крылатой фразы? Потому что она может быть использована и для сферы высоких технологий – только звучать будет немного иначе: «Нет в мире ничего сильнее технологии, время которой пришло». Именно так можно охарактеризовать технологию Flash-памяти. Если бы мы написали лет десять тому назад, что СХД корпоративного класса будут делать на твердотельных дисках, нас бы отнесли к числу фантастов, и это в лучшем случае. А вот сегодня мы уже рассуждаем, вытеснят SDD шпиндельные диски полностью или частично.

 

Азбука технологии Flash

Если мы попытаемся докопаться до корней проблемы и найти родоначальника Flash, то придется отправиться в 80-е гг. прошлого века в Японию. Именно там талантливый инженер компании Toshiba Фудзио Масуока (Fujio Masuoka) изобрел память типа Flash, причем сразу же обоих типов – NOR и NAND. Если верить легенде, то название Flash для обозначения нового типа памяти предложил использовать коллега Масуоки – инженер Седзи Ариидзуми (Shōji Ariizumi). Процесс стирания содержимого памяти напомнил ему фотовспышку. Изобретение было сделано в 1980 г., но Фудзио Масуока представил его на IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) только четыре года спустя. Прошло еще четыре года, и лишь в 1988 г. корпорация Intel выпустила первый коммерческий чип NOR-типа. А уже в следующем 1989 г. Toshiba анонсировала чип NAND-типа.

Принцип работы флеш-памяти основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Изменение заряда –запись и стирание – производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточной для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов посредством пропускания тока через канал полевого транзистора. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет функцию затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения. Эта конструкция снабжается элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве ячеек.

В чипах NOR-типа используется классическая двумерная матрица проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключается к стоку транзистора, а столбцов – ко второму затвору. Исток подключается к общей для всех подложке. Чипы NAND-типа представляют собой трехмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении.

Технология NOR позволяет получить быстрый доступ индивидуально к каждой ячейке, однако площадь ячейки велика. NAND имеют малую площадь ячейки, но относительно длительный доступ сразу к большой группе ячеек. Соответственно NOR используется как непосредственная память программ микропроцессоров и для хранения небольших вспомогательных данных.

Компоновка шести ячеек модуля памяти NOR-типа

 

NAND_flash
Структура одного столбца модуля памяти NAND-типа

Вспышка памяти XXI в.

Если бы вы в 80-х или 90-х гг. прошлого века столкнулись с необходимостью перевода технического текста с английского языка и встретили слово «flash», то наверняка перевели его как «вспышка». В те годы только компьютерные специалисты знали иное применение этого термина, связанное с областью энергонезависимой памяти. В самом деле, NOR-модули использовались в качестве хранилищ ПО цифровых устройств – так называемых прошивок, с типовыми объемами хранения от 1 кбайта до 1 Мбайта. Да и NAND-чипы поначалу не отличались большими объемами. И те и другие модули имели узкую область применения и не могли претендовать на внимание широкой публики.

Однако чипы NAND год от года «наращивали мускулы» – постоянно увеличивались их объемы памяти. Так, если в 1991 г. самым большим Flash-накопителем у компании SanDisk был модуль емкостью 20 Мбайт и стоимостью 1000 долл. (!), то уже в 1999 г. компания BiTMICRO начала выпускать Flash-накопители емкостью 18 Гбайт. Здесь мы можем наблюдать живую иллюстрацию известного диалектического закона Гегеля – скачкообразного перехода количественных изменений в качественные.

Переломным моментом для Flash-технологии стало первое десятилетие XXI в., когда появились Flash-накопители с интерфейсом USB. Начало было весьма скромным: первая такая «флешка» DiskOnKey, выпущенная в 2000 г., обладала всего лишь 8 Мб памяти, а стоила она целых 50 долл. Те пользователи компьютеров, которые еще застали эпоху дискет (сначала диаметром 8”, затем 5,25”, а потом и «компактные» 3,5-дюймовые), воспринимали Flash-накопители с интерфейсом USB как настоящее компьютерное чудо, которое избавило людей от ненадежных магнитных дискет и от необходимости держать ценные данные на CD-дисках.

Однако настоящая компьютерная революция была еще впереди. И здесь необходимо сделать еще одно небольшое историческое отступление, а заодно и указать на важное терминологическое совпадение, которое часто упускают из вида. Дело в том, что в быту люди обычно путают такие понятия, как Flash-накопители и твердотельные устройства хранения информации – SSD. Путаница эта возникла естественным образом, поскольку сегодня большинство SSD-дисков для хранения информации используют Flash-память типа NAND. Но так было не всегда.

Ирония заключается в том, что SSD (правда, в то время еще никто не пользовался этим термином) были изобретены раньше технологии Flash: первые попытки создания твердотельных дисков относятся к 1970-м гг. Так, в 1978 г. американская компания StorageTek разработала свой первый полупроводниковый накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти). Именно так: первые SSD-накопители создавались на базе RAM-памяти, снабженной дополнительным источником питания – аккумулятором.

Затем производители, оценив открывающиеся перед ними преимущества технологии Flash, занялись созданием накопителей на NAND-чипах. Понятно, что первоначально SSD никаким образом не могли выдерживать конкуренции с HDD-дисками, поскольку разница в объемах хранимой информации и стоимости была колоссальной. Компьютерному миру оставалось лишь терпеливо ждать, когда «придет время новой технологии».

Как мы уже отметили, переломным стало первое десятилетие XXI в., точнее, вторая его половина. И тут – не в целях рекламы, а следуя исторической справедливости – мы должны отметить ключевую роль, которую сыграла в продвижении SSD-накопителей корпорация Intel. В то время, когда еще 99% компьютерных экспертов видели в новой технологии одни недостатки и на каждом форуме выступали с беспощадной критикой «глупцов, пропагандирующих твердотельные диски» (реальная цитата с конференции, состоявшейся в Москве в 2005 г.), представители американской компании продолжали планомерно продвигать свои решения с дальним прицелом на корпоративный сектор.

И поскольку речь уже зашла об SSD-накопителях от Intel, самое время отметить еще одну важную технологическую особенность Flash-памяти. В однобитовых ячейках различают только два уровня заряда на плавающем затворе. Такие ячейки называют одноуровневыми (Single-Level Cell, SLC). В многобитовых ячейках различают больше уровней заряда: их называют многоуровневыми (Multi-Level Cell, MLC). Обычно под MLC понимают память с четырьмя уровнями заряда (2 бита) на каждую ячейку. Более дешевую память с восемью уровнями (3 бита) чаще называют TLC (Triple Level Cell). Понятно, что MLC-модули дешевле и более емкие, чем SLC, однако они имеют более высокое время доступа и примерно на порядок меньшее максимальное количество перезаписей. Естественным образом MLC-модули на первом этапе были выбраны для пользовательских компьютеров (ноутбуков), в то время как дорогие SLC-накопители стали прерогативой корпоративного сектора рынка.

SSD-накопители Intel SSD DC P3320 Series емкостью до 2 Тбайт обеспечивают высочайшую производительность новых СХД
SSD-накопители Intel SSD DC P3320 Series емкостью до 2 Тбайт обеспечивают высочайшую производительность новых СХД

Эффективность или экономическая целесообразность?

У твердотельных накопителей есть несколько существенных недостатков, главными из которых считаются следующие: ограниченное количество циклов перезаписи; стоимость SSD прямо пропорциональна емкости; невозможность восстановить информацию при электрических повреждениях. Что касается ограниченного количества циклов перезаписи, то этим недостатком в первую очередь страдают более дешевые MLC-модули – именно поэтому корпоративщики в первое время делали свои решения исключительно на модулях SLC (в январе 2008 г. даже появился специальный термин для корпоративных SSD – EFDs Enterprise Flash Drives). Понятно, что цена таких решений была просто запредельной, так что позволить себе СХД на твердотельных накопителях поначалу могли лишь крупные западные корпорации. Они применяли эти дорогие All Flash-решения в исключительных случаях, когда от дата-центров требовалась сверхвысокая производительность.

А между тем технология создания Flash-накопителей с многоуровневыми ячейками памяти не стояла на месте: MLC-модули достаточно быстро стали популярными у владельцев ноутбуков, которые гораздо быстрее корпоративного сектора оценили все преимущества новой технологии. Количество циклов перезаписи MLC-модулей начало стремительно повышаться, в то же самое время последовательно год от года снижалась стоимость гигабайта данных для твердотельных накопителей.

В качестве интересного примечания отметим, что, согласно последним исследованиям корпорации Google, диски, созданные на SLC-модулях, не являются более надежными, чем диски на MLC-модулях (Google Data Center SSD Research Report от февраля 2016 г.).

Еще одним существенным фактором, повлиявшим на снижение стоимости, стало появление на рынке гибридных жестких дисков SSHD (Solid-State Hybrid Drive). Flash-память в них может либо использоваться в качестве кэша небольшого объема, либо быть доступной как отдельный накопитель (Dual-Drive Hybrid). Такая конструкция позволяет воспользоваться ключевыми преимуществами Flash-памяти при сохранении относительно невысокой стоимости хранения больших объемов данных. Естественно, что такие дешевые и достаточно производительные (для большинства задач) гибридные модули стали быстро внедряться, причем как на пользовательских ноутбуках, так и в новейших СХД корпоративного уровня.

Итак, благодаря значительным успехам в развитии технологии MLC-модулей, а также появлению гибридных дисков корпоративные решения на базе Flash-накопителей стали дешеветь, что не замедлило сказаться и на их положении в ряду классов систем хранения данных. Если раньше словосочетание «All-Flash» можно было встретить только в наиболее дорогих производительных продуктах – СХД «тяжелого» класса, то уже сегодня, по крайней мере в отдельных секторах рынка СХД, можно наблюдать интересный процесс проникновения All-Flash в решения, предназначенные для бизнеса среднего уровня.

Попутно стоить отметить, что All-Flash-решения в области СХД позволяют сократить энергопотребление, занимаемую площадь и затраты на охлаждение на 95% по сравнению с классическими массивами на HDD-дисках (по данным компании NetApp). Разумеется, в России пока еще не привыкли считать деньги за электроэнергию с такой скрупулезностью, как это принято в Европе или США, однако в скором времени и нашим бизнесменам придется научиться экономнее расходовать имеющиеся ресурсы.

Когда отомрут шпиндельные диски?

Не сомневаюсь, что большинство читателей нашего журнала сейчас ответят на этот вопрос просто: «Никогда!» При этом они укажут, например, на то, что до сих пор не решена проблема ограниченного количества циклов перезаписи, что сейчас активно используются гибридные накопители, в которых традиционные HDD-диски нашли для себя фактически второе рождение, что многие корпорации пока не отказались от использования ленточных накопителей, которые, казалось бы, давно пора отправить на свалку технологической истории, и т. д.

А теперь я задам вам парочку вопросов. Представьте, что у вас в руках 3,5-дюймовая дискета: куда вы ее засунете, чтобы считать информацию? Далее, если вы читаете эту статью не в печатной версии журнала, а на нашем веб-сайте, вы видите этот текст на ЖК-панели или же на ЭЛТ-мониторе? Могу поспорить, что никто из наших читателей сейчас не пользуется дисплеем с ЭЛТ. Также могу предположить, что многие из тех, кто сейчас видит этот текст на панели, в свое время потратили немало красноречия, доказывая сторонникам ЖК-мониторов, что электронно-лучевые трубки предоставляют картинку настолько лучшего качества, что «в серьезном бизнесе панели никогда не вытеснят ЭЛТ-мониторы».

На самом деле у HDD-дисков, при всех их неоспоримых достоинствах, имеется один ключевой недостаток, который никогда не может быть исправлен и из-за которого они всегда будут проигрывать SSD, – это механика, т. е. наличие движущихся механических частей. Никакое совершенствование техпроцессов никогда не отменит этот недостаток.

Поэтому я могу спокойно прогнозировать, что в ближайшие десять лет твердотельные накопители захватят рынок СХД, тем более когда изготовление носителей информации по новым физическим принципам позволит устранить главную проблему нынешних SSD – ограниченное количество циклов перезаписи. Будет ли это новая сегнетоэлектрическая оперативная память (Ferroelectric RAM – FRAM), или резистивная память с произвольным доступом (Resistive RAM), или память, основанная на фазовом состоянии вещества Phase-Change Memory (с возможностью 10 млн циклов перезаписи), пока сказать сложно. Ясно одно: любая из этих новых технологий, доведенная до коммерческих образцов, быстро похоронит все попытки реанимировать крутящиеся магнитные диски.

Что же касается решений на HDD-дисках, то они, вероятно, не исчезнут окончательно, как дискеты, а займут узкую нишу на корпоративном рынке, как это произошло с ленточными накопителями.

Строительство суперсовременного дата-центра в Орегоне обошлось компании Google в 1,2 млрд долл.
Строительство суперсовременного дата-центра в Орегоне обошлось компании Google в 1,2 млрд долл.

 

Поделиться:
Спецпроект

ИТАПК – впервые в режиме онлайн

Подробнее
Спецпроект

Форум «ИТОПК-2020» оценил потенциал господдержки

Подробнее

Подпишитесь
на нашу рассылку