Итоги 2021 года: SSD-накопители

Череду итоговых материалов на 3DNews завершает рассказ о том, что случилось в прошлом году с твердотельными накопителями. Но это вовсе не потому, что напоследок мы оставили самое интересное. В действительности 2021 год, как и предшествующий 2020-й, прошёл на рынке SSD достаточно скучно. Но, как это часто и бывает, за кажущимся отсутствием ярких событий скрывается планомерный прогресс, который хорошо заметен при ретроспективном взгляде. В этой статье мы покажем, насколько изменились SSD, платформы для SSD и пользователи SSD всего лишь за один год. И многие наверняка удивятся, насколько глубоки эти малозаметные на первый взгляд перемены.

⇡#Что нового в мире NAND

Прошедший год не принёс особых свершений на пути наращивания плотности флеш-памяти. Бодрый в прошлом процесс увеличения числа слоёв в чипах NAND затормозился, что закономерно, поскольку рост полупроводниковых кристаллов в вертикальном измерении натолкнулся на предел разрешения технологических процессов. В результате в 2021 году о взятии новых рубежей отрапортовали лишь две компании – ведущие совместную разработку Kioxia и Western Digital. Они запустили опытное производство 3D NAND-памяти с 162 слоями, построенной из двух вертикально составленных полупроводниковых кристаллов. В ячейках такой памяти, как и раньше, используются ловушки заряда, но зато частота интерфейса доведена до 1,6 ГГц. Пока трудно прогнозировать, насколько это увеличит реальную производительность накопителей, но разработчики уже говорят о 20-процентном увеличении скорости чтения. Проверить это на практике, возможно, мы сможем уже довольно скоро: известно, что Western Digital готовит новую модель флагманского SSD – WD Black SN850X.

Впрочем, 162 вертикальных уровня ячеек NAND далеки от рекорда, поставленного Micron ещё в 2020 году: 176-слойная память этой компании имеет на сегодняшний день максимальную для TLC и QLC плотность и максимальное количество слоёв среди серийно выпускаемой 3D NAND. И более того, она уже широко доступна на рынке в конечных продуктах, причём не только в собственных накопителях Micron (продаваемых как под своим именем, так и под маркой Crucial), но и в SSD некоторых сторонних производителей.

Собственно, появление накопителей на 176-слойной Micron 3D NAND, пожалуй, заслуживает звания одного из самых главных событий 2021 года на рынке SSD. Такая флеш-память интересна не только тем, что с её помощью Micron стала технологическим лидером в разработках 3D NAND, но и применением ряда нетрадиционных подходов. Эта память – уже второе поколение 3D NAND, которое Micron разрабатывает отдельно от Intel, и в ней использована принципиально новая структура ячеек с замещающим затвором, больше похожая на ловушку заряда, хотя ранее Micron всегда использовала ячейки с плавающим затвором. Смена архитектуры, с одной стороны, позволила заметно уменьшить размер кристалла и переиграть ближайших конкурентов по этой характеристике примерно на 30 %. А с другой – обеспечила покорение новых скоростных рубежей: 176-слойная память Micron первой перешла на частоту интерфейса 1,6 ГГц и уменьшила задержки при чтении и записи примерно на четверть. И что немаловажно, достигнутый эффект можно наглядно проследить в потребительских SSD, например по накопителю Crucial P5. Простая замена 96-слойной памяти 176-слойной превратила его в Crucial P5 Plus – быстродействующий SSD c возросшими более чем на 70 % показателями производительности.

Вспоминая об удачных появлениях в реальных SSD анонсированных ранее типов флеш-памяти, обязательно нужно упомянуть вышедший в 2021 году накопитель Intel SSD 670p, в котором производитель использовал свежую 144-слойную QLC 3D NAND. До продажи своего флеш-бизнеса Intel была явной сторонницей памяти с четырёхбитными ячейками, и на примере нового SSD 670p она показала, что QLC 3D NAND уместна не только в бюджетных накопителях, но и в полноценных производительных и надёжных моделях. К сожалению, никаких других потребительских SSD, где бы использовалась аналогичная память, на данный момент не существует. Но зато она широко применяется в серверных накопителях, как бы подтверждая, что все сомнения по поводу QLC 3D NAND – это лишь предрассудки, если речь идёт о качественной памяти на базе грамотно спроектированных ячеек с плавающим затвором. Впрочем, похожих на 144-слойную QLC 3D NAND компании Intel вариантов в настоящее время не существует – это уникальный в своём роде проект.

А вот о Samsung, много лет удерживавшей лидерство в сфере развития NAND, на этот раз сказать вообще нечего. Ещё в июне южнокорейская компания пообещала до конца 2021 года продемонстрировать новый потребительский SSD (видимо, Samsung 990 PRO), построенный на 3D NAND 7-го поколения с 176 слоями. Однако этого так и не случилось: выпуск, похоже, отложился на неопределённый срок. Можно лишь предположить, что сроки сорвались потому, что в 7-м поколении памяти у Samsung запланированы серьёзные перемены: сборка двух кристаллов поверх друг друга вместо монолитного дизайна и размещение управляющей логики под массивом ячеек. Таким образом, в то время как конкуренты уже покорили 144-176-слойные структуры, Samsung продолжает поставлять на рынок 3D NAND с 128 слоями.

⇡#Новые имена

Ещё одно важное событие 2021 года – рождение Solidigm, новой компании по производству флеш-памяти. Она появилась в результате 9-миллиардной сделки, в рамках которой SK hynix купила у Intel бизнес, связанный с выпуском флеш-памяти и твердотельных накопителей. О сделке стороны договорились ещё в 2020 году, но формально она завершилась совсем недавно, когда приобретение было одобрено всеми восемью антимонопольными регуляторами. Сразу же после этого SK hynix объявила, что не будет поглощать бывшие активы Intel, включающие фабрику в китайском Даляне, а выделит их в отдельную дочернюю компанию со штаб-квартирой в Калифорнии.

Поскольку на руководящих постах в Solidigm остались топ-менеджеры Intel, можно спрогнозировать, что новая компания будет придерживаться примерно того же курса, которым ранее следовала Intel. Кроме того, по условиям сделки Intel сохранит доступ к производственным мощностям Solidigm на следующие три года, что, скорее всего, означает плавное преображение привычной NAND- и SSD-продукции Intel в продукцию Solidigm.

Впрочем, для всего рынка NAND изменения обещают быть весьма глубокими. По итогам сделки SK hynix получила возможность увеличить свою рыночную долю примерно в полтора раза, а это значит, что она становится вторым по величине производителем флеш-памяти. Первое место давно и прочно закрепилось за Samsung, которая владеет 34 % рынка, доля же «новой» SK hynix составит теперь чуть менее 20 %. Компания Kioxia, которая ранее находилась на втором месте, теперь, соответственно, будет оттеснена на третью позицию.

Говоря о новых производителях NAND, нельзя обойти стороной и китайскую компанию YMTC (Yangtze Memory Technologies), которая в 2021 году вышла в «высшую лигу», поскольку смогла запустить массовое производство 128-слойной 3D NAND. Её память не совсем обычна: она собирается из двух вертикально совмещаемых кристаллов, где один содержит управляющую логику, а второй – собственно ячейки флеш-памяти. Более того, такая память уже применяется в серийных SSD китайских производителей, например Asgard, однако за пределы локального рынка она, по-видимому, выйдет нескоро. YMTC не может похвастать заметными объёмами производства, и её доля на рынке NAND не превышает единиц процентов. При этом увеличить выпуск чипов компании будет очень непросто – закупки нового оборудования сильно затруднены для неё санкционной политикой США.

⇡#А что там с 3D XPoint

Продавая свой флеш-бизнес SK hynix, компания Intel оставила себе его наиболее инновационную часть – производство PRAM-памяти 3D XPoint. Тем самым компания выразила заинтересованность в дальнейшем развитии этой технологии, которая, впрочем, держится нарочито в стороне от потребительских решений. Но это и неудивительно: себестоимость 3D XPoint превышает себестоимость привычной TLC 3D NAND примерно на порядок. По имеющимся оценкам, производство 1 Гбайт 3D XPoint обходится как минимум в 0,5$, что не позволяет Intel выйти с накопителями на такой памяти на массовый рынок.

Тем не менее компания нашла выход в гибридных потребительских продуктах, которые строятся одновременно на 3D XPoint и на QLC 3D NAND. В прошлом году, например, вышли Optane Memory H20 – SSD, в составе которых есть 32 Гбайт 3D XPoint и 512 или 1024 Гбайт обычной флеш-памяти с четырёхбитовыми ячейками. Логика работы подобных решений предусматривает использование низколатентной 3D XPoint-памяти для целей кеширования, тогда как долговременное хранение данных происходит в QLC 3D NAND. Но даже такие гибридные варианты не носят характер массовых – они поставляются исключительно производителям ноутбуков.

Но самое главное событие, случившееся в мире 3D XPoint в прошлом году, носит сугубо негативный характер. Intel потеряла единственного стратегического партнёра, который попутно с ней занимался разработками и производством этой памяти. Весной Micron объявила, что полностью утратила веру в возможность коммерческого успеха 3D XPoint, и продала предприятие, которое занималось её производством. Покупателем завода выступила Texas Instruments, но эта компания 3D XPoint совсем не интересуется, поэтому перешедшая в её собственность производственная площадка будет полностью переоборудована.

⇡#Стихийные бедствия и цены

Отключения электроэнергии, землетрясения, пожары, наводнения и локдауны – мы привыкли к тому, что различные форс-мажоры регулярно приводят к остановке фабрик по производству флеш-памяти, в результате чего на рынке создаётся дефицит и цены на NAND-накопители взлетают ввысь. Такое происходит с завидной регулярностью и даже заставляет некоторых думать, что производители устраивают аварии специально – ради увеличения прибыли. Но 2021 год оказался в этом плане совершенно нетипичным и опровергающим всякие теории заговора – никаких крупных остановок производств не происходило. Не сильно скакали и цены на чипы NAND – разница между максимальной и минимальной ценой в течение года составила не более 20 %.

Небольшое подорожание микросхем флеш-память наблюдалось лишь во втором квартале. Но его можно отнести к прогнозируемым сезонным колебаниям – из-за выхода новых мобильных и серверных процессоров производители соответствующих систем увеличили закупки SSD, что и привело к закономерной реакции на повышение спроса. Впрочем, этот рост цен чипов NAND мало отразился на стоимости потребительских моделей SSD.

Гораздо сильнее сыграл другой фактор – недопоставки контроллеров. Дефицит полупроводников серьёзно прошёлся по этой категории продукции: компании, поставляющие на рынок контроллеры, имеют не слишком большие объёмы производства и для контрактных производителей масштаба TSMC приоритетными клиентами не являются. Поэтому поставки этих микросхем в течение всего 2021 года происходили (и до сих порпродолжают происходить) с перебоями, что выливается в вынужденное ограничение объёмов выпуска SSD и, соответственно, повышение цен. Причём в данном случае страдает вполне конкретная разновидность накопителей – модели небольшого объёма. Именно по этой причине многие производители отказались от выпуска SSD ёмкостью 120-256 Гбайт, а другие подняли на них цены. Например, популярный Kingston A400 120 Гбайт, который в конце 2020 года можно было купить за 1 800 рублей, в середине 2021 года подорожал до 2 300 рублей – почти на 30 %. С тех пор цена немного опустилась, но к первоначальному уровню так и не вернулась.

Дополнительный удар по ситуации с контроллерами нанёс инцидент с техасским заводом Samsung. Бушевавший во второй половине февраля на территории американского штата арктический шторм привёл к масштабному блэкауту, в результате которого без электричества остался и полупроводниковый завод, на котором южнокорейская компания изготавливает до 75 % контроллеров для своих PCIe-накопителей. Всё это привело к закономерной остановке производства, на повторный запуск которого потребовалось потратить несколько недель. Поэтому некоторые накопители, например Samsung 970 EVO Plus, в середине прошлого года поставлялись на рынок в крайне ограниченных объёмах.

К числу стихийных бедствий 2021 года можно отнести и майнеров, которые внезапно прошлись по рынку SSD и напугали многих тем, что с накопителями может случиться то же, что уже произошло с видеокартами. Ближе к середине прошлого года огромную популярность набрала криптовалюта Chia, которая основывается на алгоритмах консенсуса Proof-of-Space и Proof-of-Time (доказательства пространства и времени). Для добычи этой криптовалюты требуются SSD и HDD больших объёмов, поэтому в момент её расцвета произошёл резкий всплеск спроса на накопители, который закономерно привёл к скачку цен. Но к счастью, ажиотаж оказался недолгим: рост сложности добычи Chia вместе с обрушением её курса быстро охладил пыл криптостарателей, поэтому масштабного кризиса на рынке SSD так и не случилось.

В итоге все события, которые реально могли привести к росту цен на флеш-память, пришлись на первую половину 2021 года. Вторая же половина года вышла относительно спокойной, и, начиная с осени, цены планомерно снижались. Эта тенденция, как прогнозируют аналитики, только укрепитсяв течение первого квартала 2022 года. Предложение NAND сейчас превосходит спрос из-за того, что продажи конечных устройств, использующих флеш-память (прежде всего ПК и смартфонов), находятся на относительно невысоком уровне и продолжают снижаться, к чему добавился и ещё один фактор – падение продаж карт памяти. Поэтому предполагается, что чипы NAND будут дешеветь и дальше, причём масштаб снижения цен на горизонте ближайших трёх месяцев может достигнуть довольно серьёзных 10-15 %.

Это неминуемо отразится и на твердотельных накопителях, прежде всего больших объёмов. За ближайший квартал они могут потерять в цене 5-10 % или даже больше, если говорить о новых моделях, в которых производители активно переходят на более плотные типы флеш-памяти – с увеличенным числом слоёв и с четырёхбитными ячейками.

⇡#Главные новинки – 2021: SSD для PCI Express 4.0

Твердотельные накопители продолжают переход с устаревшего интерфейса SATA на NVMe – специальный скоростной интерфейс, который создавался целенаправленно под задачи и архитектуру SSD. На сегодняшний день интерфейс NVMe захватил убедительное лидерство: его использует примерно две третьих поставляемых в настоящее время потребительских накопителей, и эта доля продолжает расти. Распространение NVMe SSD сопровождается их удешевлением: цены SATA- и бюджетных NVMe-моделей практически сравнялись, а значит, приобретать значительно более медленные варианты накопителей со старым интерфейсом нет никакого смысла.

Одновременно с этим обновление платформ ПК сделало актуальными накопители с шиной PCIe 4.0. Все современные десктопные и мобильные платформы (за исключением разве только мобильных Ryzen 5000) имеют поддержку PCIe 4.0, что сделало востребованными модели именно с такой шиной. И весь прошлый год PCIe 4.0 SSD находились в центре внимания: на рынке появилось довольно большое число новых и интересных вариантов, причём речь идёт не столько о высокопроизводительных моделях для энтузиастов, сколько о массовых и недорогих решениях.

Что же касается флагманских PCIe 4.0 SSD, то в этом сегменте изменений почти нет. Лидирующие позиции продолжают удерживать вышедшие ещё в 2020 году Samsung 980 PRO и WD Black SN850, достойной замены котором пока не появилось. Однако в группу лидеров смог вклиниться ещё один интересный вариант – накопители на контроллере Phison E18, использующие 176-слойную TLC 3D NAND компании Micron. О плюсах такой памяти уже говорилось выше, и её совмещение с контроллером, который ранее использовался исключительно с 96-слойной памятью и в таком варианте производительностью не блистал, сотворило настоящее чудо. На данный момент в магазинах есть два накопителя на Phison E18 с новой памятью Micron, которые могут на равных тягаться с флагманами Samsung и WD, – Seagate FireCuda 530 и Kingston KC3000.

Интересные накопители появились и среди PCIe 4.0 среднего уровня. В первую очередь это Crucial P5 Plus, который (сюрприз!) тоже построен на 176-слойной 3D NAND компании Micron. А ещё в этом SSD использован собственный контроллер Micron, и такая вертикальная интеграция позволила получить в конечном итоге PCIe 4.0-накопитель с очень привлекательным сочетанием цены и производительности.

Ещё одним заметным событием в сегменте PCIe 4.0 SSD стал приход в него нового независимого разработчика контроллеров – компании Innogrit. Укомплектованная бывшими инженерами Marvell команда создала сразу несколько довольно неплохих контроллеров, среди которых стоит выделить старший — IG5236 — и средний — безбуферный IG5220. Оба эти чипа позволяют собирать накопители с достойным уровнем быстродействия, чем воспользовались некоторые производители второго эшелона. В качестве особо интересных вариантов отметим Plextor M10P (на IG5236) и Patriot P4 (на IG5220) – первый SSD из этой пары приближается по производительности к флагманам, а второй вызывает интерес выгодным сочетанием скорости и цены.

Привлекли к себе немало внимания и накопители с интерфейсом PCIe 4.0, относящиеся к начальному уровню. Однако в этом случае речь идёт о связанном с ними негативе, так как их производители использовали принадлежность к PCIe 4.0 исключительно ради не слишком добросовестной рекламы – в реальности же такие бюджетные модели в скоростной шине не нуждаются. Отличительным признаком подобных лже-PCIe 4.0-моделей выступает контроллер Phison E19T, который каким-то образом проник не только в решения производителей третьего эшелона, но и, например, в WD Black SN750 SE. При этом выпущенный в прошлом же году накопитель Samsung 980, который не щеголяет поддержкой PCIe 4.0 и стоит дешевле, обеспечивает ощутимо более высокий уровень быстродействия.

⇡#Прочие интересные SSD прошлого года

Хотя основное внимание энтузиастов привлекают к себе SSD для шины PCIe 4.0, примечательные модели продолжают выходить и с интерфейсом PCIe 3.0. Они могут представлять интерес по ряду причин: при модернизации систем, не имеющих скоростной версии шины, или из соображений экономии бюджета – зачастую разница в производительности SSD с шиной PCIe 3.0 и 4.0 бросается в глаза не так сильно. И в прошлом году на рынке появились несколько PCIe 3.0-моделей, которые заслуживают отдельного упоминания.

В первую очередь это Samsung 980, про который уже говорилось выше. Компания Samsung долгое время не хотела делать недорогие накопители с NVMe-интерфейсом, но в прошлом году всё-таки сломалась. Samsung 980 – это как раз такой SSD, основанный на безбуферном четырёхканальном контроллере. Однако несмотря на это, его производительность существенно выше, чем у любого другого накопителя, лишённого DRAM, и поэтому Samsung 980 выглядит наилучшим с точки зрения соотношения цены и производительности вариантом в ценовой категории ниже среднего. К тому же этот SSD может похвастать традиционной для южнокорейского производителя безупречной программной поддержкой, длительной гарантией и высоким ресурсом применённой TLC 3D NAND.

В категории бюджетных NVMe SSD вышла и ещё одна любопытная новинка – накопитель Intel SSD 670p. У него есть DRAM-буфер, а удешевление проведено по другому направлению – в массиве флеш-памяти используется QLC 3D NAND. Но применённая в нём 144-слойная четырёхбитовая память Intel существенно отличается от обычной QLC, которая ничего, кроме неприязни, не вызывает. Благодаря уникальной архитектуре с плавающим затвором она не только надёжнее, но и быстрее, что ставит Intel SSD 670p по производительности выше Samsung 980 при более низкой цене. Иными словами, SSD 670p — это отличный недорогой вариант для тех, кого не пугает аббревиатура QLC.

Среди интересных новинок упоминания заслуживает и Samsung 970 EVO Plus — ветеран среди PCIe 3.0-накопителей. В прошлом году произошло обновление аппаратной платформы этой модели 2019 года. Она получила контроллер Elpis, такой же как у 980 PRO, что повлекло за собой ряд приятных для конечных пользователей перемен. Существенно вырос размер SLC-кеша, плюс в большинстве сценариев стала выше производительность. Иными словами, старый Samsung 970 EVO Plus стал ещё более привлекателен в качестве NVMe-решения среднего уровня, тем более что за прошлый год эта модель ощутимо подешевела.

Появлением ещё нескольких интересных вариантов SSD мы обязаны майнерам. Во время кратковременной вспышки интереса к криптовалюте Chia некоторые производители успели выпустить весьма неординарные продукты для её добычи, отличающиеся запредельным ресурсом перезаписи. Хотя для реальных общеупотребительных ПК нужды в таком ресурсе нет, высоконадёжные модели всё равно привлекли к себе немало внимания. В качестве примеров подобных SSD можно привести ADATA Prospector 970 и 950 или PNY LX2030 и LX3030. По сравнению с обычными моделями они обещают примерно в 20-40 раз более высокую выносливость, что обеспечивается использованием флеш-памяти в SLC-режиме. Но стоит иметь в виду, что из-за кратно более высокой стоимости такие накопители представляют скорее теоретический, нежели практический интерес.

⇡#Заключение

Прошлый год на рынке SSD выдалсядостаточно спокойным и, можно сказать, затишным. Флеш-память прогрессировала медленными темпами, цены на SSD в течение года почти не скакали, а производители накопителей так и не обрушили на пользователей вал интересных новинок. Тем не менее структура рынка и настроения на нём существенно переменились. И причиной тому стали не столько сами накопители, сколько господствующие на рынке ПК платформы.

Выход новых процессоров AMD и Intel с кардинально возросшей производительностью, а также анонс операционной системы Windows 11 спровоцировал начало цикла обновления потребительских ПК и их переход на принципиально новые аппаратные конфигурации. Все они получили поддержку новых шин и интерфейсов для подключения различных устройств, в числе которых не последнее место заняла шина PCI Express для NVMe-накопителей. И в конечном итоге это привело к значительному росту популярности новых поколений SSD, которые ранее рассматривались исключительно как нишевые решения для энтузиастов.

Главное: если в прошлые годы в статистике продаж лидировали накопители с SATA-интерфейсом, то теперь покупатели уделяют основное внимание скоростным M.2-накопителям, работающим либо через PCIe 3.0, либо через PCIe 4.0. В 2021 году именно такие модели заняли лидирующие места в глобальной статистике продаж. Самым востребованным SSD по состоянию на конец прошлого года стал недорогой NVMe-накопитель Samsung 980, который отодвинул с первой позиции былых фаворитов с интерфейсом SATA – WD Blue 3D NAND и Samsung 870 EVO. И это – отличная иллюстрация происходящих на рынке SSD перемен. Накопители нового поколения не только предлагают принципиально более высокие показатели производительности, но и делают это в сочетании с привлекательными ценами, которые в действительности уже опустились ниже стоимости SATA-моделей среднего уровня.

Впрочем, если говорить о предпочтениях среднестатистических российских покупателей SSD, то им свойственен определённый консерватизм, подпитываемый тягой к максимально возможной экономии. Поэтому на отечественном рынке NVMe-модели пока не смогли перехватить инициативу, а самыми продаваемыми остаются «большие флешки» – ультрабюджетные Kingston A400 и WD Green с рандомными сочетаниями слабейших SATA-контроллеров и самой дешёвой и не всегда качественной флеш-памяти. Однако постепенно ситуация меняется в лучшую сторону, и, надеемся, через год нам уже не придётся вспоминать о существовании подобных SSD, являющихся представителями совершенно иного мира.

Вместо этого мы продолжим внимательно следить за событиями на переднем крае отрасли SSD: очередным раундом борьбы Samsung и Western Digital за звание разработчика самых производительных накопителей для ПК; выходом перспективных моделей SSD с поддержкой скоростной шины PCIe 5.0; а также появлением флеш-памяти более чем с 200 слоями.