Быстрые, бесшумные и совсем не греющиеся SSD-диски давно уже стали привычным компонентом домашних ПК даже среднего уровня. Вот только сравнительно высокая стоимость за гигабайт места вынуждает по-прежнему оснащать даже «прогрессивные» конфигурации старыми добрыми HD на один и больше терабайт – в дополнение к скоростным твёрдотельным накопителям куда меньшего объёма. При этом если решения проблемы ограниченного количества циклов перезаписи у ячеек флеш-памяти придётся ждать ещё немало времени – до внедрения в производство таких технологий как FRAM или чего-нибудь более новенького, а 3D XPoint обещает быть пусть и быстрее, но намного дороже, – то способы увеличения объёма дисков без существенного их удорожания вроде бы вполне себе известны. Скажем, два года назад нам обещали как раз к концу 2016-го SSD емкостью 10 ТБ и более. Стоит ли по-прежнему ждать таких новинок в самом скором времени?
Новая технология, представленная Samsung в августе 2013 года, а затем, в марте 2015-го, и Intel с Micron, называется 3D NAND (или 3D V NAND) и отличается, как можно понять из названия, трёхмерной структурой компоновки. В более привычной флеш-памяти для хранения информации используются транзисторы с плавающим затвором, которым присваивается значение заряда «1» или «0», – располагаются они в ячейках рядом друг с другом, и в настоящее время плотность такого их размещения достигла уже физических пределов масштабируемости – в полном соответствии с законом Мура (согласно которому, как известно, количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, каждые два года удваивается). Если в 2004 году технический процесс составлял 90 нм, то к 2015 г., когда он вплотную приблизился к величинам менее 15 нм, на пути «экстенсивного» развития возникла непреодолимая проблема: по мере уменьшения размера ячеек утончаются и стенки между соседними ячейками – что приводит к повышенной вероятности утечки электронов, особенно в случае с более дешёвыми многобитными ячейками MLC и TLC. Уже проникновение на уровень 13 нм может означать ощутимые потери не только в надёжности, но и в скорости работы памяти.
Структура «плоской» флеш-памяти NAND
Как нетрудно догадаться, в качестве решения проблемы дальнейшего масштабирования «плоских» ячеек напрашивается перевод их в объёмное, трёхмерное пространство: идея вполне очевидная и не такая уж и новая. Несколько университетских лабораторий экспериментировали с 3D-микросхемами ещё в семидесятые и восьмидесятые годы ХХ века, однако особых успехов тогда достигнуто не было: придумываемые новые технологии требовали экзотических материалов или же необычных дизайнерских решений, а насущной потребности в их конструировании не было. Основная проблема на существовавшем в то время уровне развития технологий заключалась в том, что кристаллы, необходимые для создания качественных транзисторов, удавалось располагать только в верхнем слое кремниевой подложки – пространство над этой основой можно было использовать лишь для соединений или же для придания всей конструкции надлежащего уровня прочности.
Однако уже к концу тысячелетия необходимость обновления традиционной плоской флеш-памяти стала вполне очевидной – в 1998 году двое профессоров Стэнфордского университета, ветераны индустрии Марк Джонсон и Томас Ли, основали специально для разработки трёхмерных полупроводниковых устройств компанию Matrix Semiconductor. В качестве источника вдохновения для преодоления старых проблем указывались при этом жидкокристаллические мониторы, представляющие собой соединённые слои тонкоплёночных транзисторов. О первых успешных результатах совместной работы Ли и Джонсона стало известно уже в 2002 г., когда была анонсирована вертикальная структура компоновки памяти, способная хранить информацию не менее 100 лет. Matrix поясняла, что вовсе не претендует на звание пионера-изобретателя 3D-микросхем, но твёрдо намерена стать первой компанией, которая доведёт эти идеи до коммерческого производства в больших объёмах. При этом подчёркивалось, что переход на трёхмерную память означает не только уменьшение в размерах, по сравнению с существующими вариантами DRAM, SRAM, флеш и Mask ROM, но и значительное снижение стоимости.
«Башенная» структура 3D-памяти с несколькими слоями транзисторов
Впрочем, первые коммерческие 3D-микросхемы памяти удалось выпустить в массовых количествах только летом 2004-го, на производственных мощностях тайваньского завода TSMC и благодаря инвестициям, полученным от Nintendo в размере 15 млн. долл. Чипы выполнялись по технологии 0,15 мкм для базовых слоёв и 0,13 мкм – для последующих. Matrix с гордостью заявляла, что использовала только стандартные материалы и снизила стоимость карты памяти в несколько раз – однако, довольно неприятным сюрпризом стало то, что «3D Memory» оказалась доступной лишь для однократной записи – а потому могла быть использована лишь в качестве ПЗУ и заинтересовать разве что производителей игр и прочего ПО для мобильных платформ.
Разумеется, создатели пусть и ограниченного по функциональности, но перспективного и дешёвого продукта не собирались останавливаться на достигнутом, – но уже в 2005 году Matrix Semiconductor была приобретена за 238 млн. долл. корпорацией SanDisk, объявившей о своих планах по преобразованию ROM в память для многократной записи. Однако при этом новый владелец незамедлительно вывел ПЗУ с рынка, несмотря на имевшийся спрос – по некоторым сведениям, за месяц до закрытия Matrix успела отгрузить миллион экземпляров своей новинки. Возможно, весь секрет был в том, что 3D Memory конкурировала в этом отношении с собственным только что представленным продуктом SanDisk – Grūvi Card, также предназначавшимся для однократной записи и для продажи музыки, фильмов и игр пользователям мобильных устройств?
Кристаллы транзисторов Matrix Semiconductor
Как бы там ни было, путь таких продаж оказался в итоге тупиковым, а о 3D-памяти практически ничего не было слышно до 2013 года, когда очередным «первооткрывателем» выступила Samsung, объявив о начале массового производства SSD-дисков по технологии 3D V-NAND (от «Vertical NAND»), на 128-Гбитных чипах по 24 слоя транзисторов. Как рассказывалось в анонсе, новая память позволяет читать и записывать в два раза быстрее, обеспечивая на порядок большую по длительности сохранность информации и потребляя на 50% меньше энергии. Достичь такого результата – и преодолеть старые детские болезни трёхмерной памяти – удалось благодаря использованию не традиционной технологии транзисторов с плавающим затвором, а памяти с ловушкой заряда (Charge Trap Flash), впервые использованной AMD в 2002 году и преобразованной Samsung в цилиндрическую форму. Для хранения электронов здесь используется плёнка нитрида кремния, что повышает как надёжность – стенки ячеек сделаны намного более «толстыми» и потому не столь чувствительными к утечкам, – так и процент производства годных к употреблению кристаллов.
Схема вертикальной структуры 3D V-NAND: срез из восьми слоёв. Красным цветом обозначены проводящие слои поликристаллического кремния, синим – изоляторы из диоксида кремния. Обведена индивидуальная ячейка памяти
Впрочем, массовое производство V-NAND несколько задержалось – и позволило другим производителям микросхем объявить о своих собственных наработках. Наиболее интересным был совместный анонс от Intel и Micron Technology, ещё в 2006 году создавших общее предприятие для разработки и производства памяти. К тому времени технологии позволяла размещать в микросхеме уже 32 слоя транзисторов – в 256-Гбитных ячейках MLC или 384-Гбитных TLC, – а потому и обещать те самые SSD стандартного 2,5-дюймового формата с объёмами в более 10 ТБ.
Cтруктура трёхмерной памяти от Micron
На практике же дело по традиции обстоит несколько менее радужно: от громких анонсов до появления в продаже продуктов с одинаково приятными для глаза ценниками и ТТХ проходит не так уж и мало времени – если до этого последнего оно вообще доходит. Один из немногих недостатков технологии 3D NAND заключается в высоком уровне точности, которого необходимо достичь при производстве, поскольку теперь приходится подгонять нужное расположение каждого вертикального «столбика» из ячеек памяти в одной матрице. Разумеется, рекордсмены вроде дисков на 15 ТБ от Samsung за $10 тыс или примерно вчетверо более дорогой 60-терабайтный гигант Seagate – пока что скорее выставочные экспонаты, далёкие от воплощения в реальное (тем более массовое) производство.
Среди доступных же предложений – к примеру, SSD-накопители Samsung серии 850 PRO, вышедшие ещё в прошлом году, которые пусть и гордо обозначаются как «первые в мире потребительские устройства на V-NAND», но выпускаются в более-менее привычных конфигурациях от 128 до 2048 ГБ со скоростью последовательного чтения/записи до 550/520 МБ/с. Цены в отечественной рознице достигают приблизительно от 100 до 1000 долларов за младшую и старшую модель соответственно – что всё-таки намного выше, чем просят за несильно уступающие по характеристикам «двухмерные» модели. Вместе с тем, в арсенале производителя есть и линейка более доступных моделей на базе трехячеечной структуры TLC V-NAND – Samsung 850 EVO, которые стоят лишь немногим дороже накопителей с традиционным флешем. Более того, совсем недавно компания анонсировала новые серии NVMe-накопителей формата M.2 уже на базе 48-слойных микросхем. Samsung 960 Pro основаны на MLC V-NAND и имеют впечатляющие заявленные характеристики: 3500 МБ/c для чтения, 2100 МБ/c для линейной записи. У моделей Samsung 960 EVO на TLC V-NAND показатели немного скромнее, но это тоже внушительные 3200 МБ/c и 1900 МБ/c для чтения и записи, соответственно.
Трёхмерный чип от Samsung
В начале сентября компания Intel представила новое семейства SSD. В «мэйнстримной» серии 600p значатся накопители на основе 32-слойных ячеек TLC с объёмом 128–1024 ГБ, правда заявленные скорости уже более интересны: до 1800 МБ/с на чтение и до 560 МБ/с на запись. Стоимость их в США варьируется от 68 до 350 долларов – далеко не самый высокий показатель, но и радоваться пока что особо нечему.
Новая серия SSD от Intel – пока что без особых внешних примет
Несмотря на все громкие маркетинговые слова, 3D NAND пуcть и не революция, но важный этап развития флеш-микросхем. О поразительных успехах и о массовом распространении новой технологии говорить ещё рано, но примечательна она уже хотя бы тем, что решает проблему масштабирования – и в теории позволяет закону Мура «выполняться» и дальше. Вполне вероятно, что пусть и не в самом ближайшем времени, но на наших прилавках таки появятся и многотерабайтные SSD-накопители по доступным массовому пользователю ценам. Однако, как и в случае любой эволюции, ничуть не менее возможно и то, что к этому времени в мире флеш-памяти произойдёт настоящая революция – скажем, появление атомной памяти, согласно исследованиям способной достигать плотности в 502 терабит на квадратный дюйм, сравнительно с 1,34 у современных жёстких дисков или 0,059 у Blu-ray. А то и ещё что-нибудь столь же впечатляющее…