Что нужно знать об SSD сегодня и чего ждать от HDD завтра

⇡#NAND Flash-память

Что применяется сегодня

В 2012 году потребительские SSD завершили миграцию на микросхемы NAND-памяти, произведенные по техпроцессу 24 (от Toshiba) и 25 нм (от IMFT).

Большинство накопителей, которые нам довелось протестировать за год, комплектуются 25-нм памятью производства IMFT двух разновидностей: микросхемы с асинхронным интерфейсом ONFi 1.0 или синхронные с ONFi 2.X. Распространенные сегодня чипы стандарта ONFi 2.1/2.2 имеют пропускную способность в 166 или 200 Мбайт/с, в то время как пропускная способность асинхронных чипов составляет всего 50 Мбайт/с.

Несмотря на низкую производительность, чипы ONFi 1.0 все еще широко используются благодаря их дешевизне по сравнению с NAND Flash стандарта ONFi 2.X. Производители твердотельных накопителей часто сочетают такую память с контроллером SandForce SF-2281. За счет алгоритма компрессии данных на лету контроллеры SandForce снижают требования к пропускной способности массива памяти, и при записи хорошо сжимаемых данных потеря производительности невелика. При работе с плохо сжимаемыми данными, напротив, дефицит пропускной способности проявляется (о, сколько раз мы это уже повторили!).

Третья разновидность памяти, которая сейчас встречается в потребительских SSD, — это 24-нм микросхемы с интерфейсом Toggle-Mode DDR 1.0 производства Toshiba, которые имеют пропускную способность 133 Мбайт/с. Наконец, есть микросхемы Samsung, также с интерфейсом Toggle-Mode DDR 1.1, но производятся они по техпроцессу 27 нм. Шанс обнаружить их в SSD, купленном в России, невелик в связи со скудной представленностью накопителей Samsung в нашей рознице. Разве что в ноутбуке попадется.

Вперед, к техпроцессу 19-21 нм

Между тем мы уже вплотную подошли к очередной смене техпроцесса в производстве NAND-микросхем. Впереди всех в этом направлении оказался Samsung, не только начавший массовый выпуск чипов с интерфейсом Toggle-Mode DDR 2.0 по норме 21 нм, но и уже продающий накопители SSD 840 Pro на их основе. Какой-либо официальной информации о выносливости чипов на новом техпроцессе от Samsung нам найти не удалось, но по некоторым косвенным данным можно судить, что 21-нм чипы выдерживают до трех тысяч циклов перезаписи. Новый интерфейс увеличивает пропускную способность микросхемы до 400 Мбайт/с. Samsung SSD 840 Pro также комплектуется контроллером Samsung собственной разработки и является одним из самых быстрых потребительских SSD на сегодня. Только не спрашивайте, где купить эти приводы в России. Нам самим интересно.

Также появились первые SSD с памятью Toggle-Mode DDR 2.0 и техпроцессом 19 нм производства Toshiba — Plextor M5 Pro. О количестве циклов перезаписи, положенном для новых микросхем, Toshiba не распространяется.

Гораздо больше нам известно про новый техпроцесс и новый интерфейс памяти от IMFT. Этот производитель уже выпускает микросхемы по норме 20 нм объемом 64 Гбит на один кристалл. Интерфейс чипов обновился до уровня ONFi 2.3, что не принесло увеличения пропускной способности, но добавило поддержку новой организации накопителя под названием EZ-NAND. EZ-NAND означает возможность перенести функцию контроля четности данных (ECC) с NAND-контроллера на отдельный чип или интегрировать ее прямо в микросхемы памяти. Благодаря отделению ECC обеспечивается легкий апгрейд этой функции, который в будущем совершенно неизбежен по мере перехода на более тонкие техпроцессы и сопутствующего снижения качества сигнала. Кстати, еще раз о больном: количество допустимых циклов перезаписи для 20-нм памяти от IMFT удалось удержать на уровне 25-нм чипов: три тысячи циклов.

20-нм микросхемы ONFi объемом 64 Гбит на одно NAND-устройство сейчас проходят обкатку в составе накопителя Intel SSD 335 на базе контроллера SandForce SF-2281. Одновременно готовятся к выпуску 20-нм кристаллы объемом 128 Гбит, которые уже обладают интерфейсом ONFi 3.0 с пропускной способностью 400 Мбайт/с. Но есть веские причины, по которым нам придется еще подождать появления 128-Гбитных чипов в потребительских накопителях. Во-первых, интерфейс ONFi 3.0 не имеет обратной совместимости с ONFi 2.X (среди прочего, увеличился объем страницы с 8 до 16 Кбайт, что уже само по себе требует обновления прошивки контроллеров). Во-вторых, IMFT нужно время для того, чтобы довести количество выхода годных кристаллов до приемлемого уровня. Но в результате, помимо прироста производительности, появится возможность упаковывать в один корпус до восьми 128-Гбит NAND-устройств, актуальная для мобильных платформ.

TLC NAND: еще дешевле, еще тоньше

Итак, это почти все, что нужно знать про Flash-память на сегодня. Для полноты картины осталось рассказать только про TLC NAND — память с новым типом ячеек, представленную в дополнение к уже известным SLC и MLC. В прошедшем году Samsung выпустил первый серийный накопитель на TLC-памяти — SSD 840 без приставки Pro. Интерфейс чипов — Toggle Mode DDR 2.0, техпроцесс — 21 нм. Не вдаваясь в подробности архитектуры TLC, отметим главное — эта память позволяет сохранять в ячейке три бита информации и потому работает медленнее, чем MLC, и, самое главное, обладает меньшей выносливостью. Точных данных об этом параметре у нас нет, но, зная о том, какова разница между SLC и MLC и как выносливость менялась при смене техпроцесса, можно предположить, что ячейки TLC в памяти Samsung выдерживают в районе 1 000—1 500 циклов перезаписи. Кроме того, TLC требует более мощного механизма контроля целостности данных.

Что касается производительности TLC, то она меньше, чем у MLC, но тот же Samsung SSD 840 демонстрирует вполне пристойную для современного SSD начального уровня производительность.

Пока трудно сказать, насколько TLC NAND выгодней по себестоимости относительно MLC. Теоретически тройные ячейки в состоянии снизить цену производства на 30% по сравнению с MLC, хотя сейчас разница наверняка компенсируется высоким спросом и большим объемом поставок MLC, с одной стороны, и ограниченным выпуском TLC — с другой. И все же TLC является перспективным способом снизить цены на твердотельные накопители, не принося больших жертв в области производительности. Ну а Samsung, обладая собственным производством NAND Flash, технологией TLC и собственными контроллерами, становится большой угрозой для тех производителей SSD, которые лишь занимаются сборкой накопителей из «чужих» компонентов. К счастью последних, азиатская империя пока не повернула в этом направлении свое огненное око.

Еще раз о долговечности SSD

Тот факт, что у Flash-памяти по мере перехода на новые техпроцессы снижается допустимое количество циклов перезаписи, вызывает у пользователей неослабевающее беспокойство. Дабы проверить гипотезу о якобы имеющей место чрезвычайной ненадежности и недолговечности SSD, мы однажды вычислили теоретический срок жизни накопителя объемом 128 Гбайт с NAND-памятью на три тысячи циклов и показали, что миф о недолговечности SSD — это не более чем миф. В конце концов, любой накопитель имеет свой срок жизни, и даже лучше знать его заранее. Тем более что производители жестких дисков никакого срока жизни не сообщают. Только сказочные значения времени наработки на отказ свыше сотни лет (sic!), которые на самом деле означают не более того, что из сотни дисков за год умирает один. Ну так вот, повторно рассчитаем, сколько лет нещадной эксплуатации требуется для того, чтобы полностью исчерпать запас циклов перезаписи современной MCL-памяти:

Посчитаем, сколько лет при десктопной нагрузке потребуется накопителю объемом 128 Гбайт, чтобы истощить все свои ячейки. Возьмем объем записываемых в день данных по максимуму — 10 Гбайт, хотя мало кто реально записывает столько на десктопе, а если записывает, то это, скорее всего, закачка из Интернета видео и подобных данных, которые нет смысла держать на SSD.

Большинство контроллеров увеличит объем 10 Гбайт еще в несколько раз за счет явления под названием write amplification. Write amplification складывается из нескольких факторов. Во-первых, SSD может записывать данные в ячейки только в виде так называемых страниц, типичный размер которых — 4 Кбайт. А стираются данные так называемыми блоками, как правило, по 512 Кбайт. К тому же контроллер постоянно перетасовывает данные в памяти, выполняя очистку от мусорных записей. Поэтому и может сложиться такая ситуация, когда вместо 10 Гбайт, отправленных на SSD хост-контроллером, в NAND-микросхемы записывается 100 Гбайт.

Итак, сколько в таких условиях протянет накопитель с чипами, выдерживающими 5 тыс. циклов перезаписи? Так как контроллер следит за тем, чтобы ячейки изнашивались равномерно, все они должны подойти к концу жизни одновременно, и это случится через 17,8 года (дотошные читатели могут повторить расчет). После этого последние записанные данные останутся в сохранности в течение еще 12 месяцев.

Как видите, даже в наименее благоприятной гипотетической ситуации десктопный SSD объемом 128 Гбайт с MLC-памятью на 5 тыс. циклов в состоянии проработать срок, за который можно вырастить ребенка. Соответственно, с памятью на 3 тыс. циклов продолжительность жизни накопителя составит 10,7 года, что тоже заведомо больше срока морального устаревания устройства. 128 Гбайт — много ли это будет через десять лет?

Контроллеры SSD сегодня и завтра

В прошедшем году появилось несколько интересных продуктов на базе новых контроллеров, которые оспорили гегемонию платформы SandForce. Однако в течение года тестирования новинок мы не увидели новых рекордов в бенчмарке последовательного чтения. Похоже, что накопители уже уперлись в предел пропускной способности интерфейса SATA 6 Гбит/с, который не получится преодолеть прежде, чем состоится переход к интерфейсу SATA Express. А пока что производительность прирастает в направлении количества операций в секунду, а Intel, например, осваивает такой неочевидный ее аспект, как постоянство скорости произвольного доступа.

Большие парни взялись за SandForce

Добрая часть из представленных в рознице SSD базируется на платформе SandForce SF-2281. О свойствах этого контроллера мы писали уже множество раз. Сегодня SF-2281 в сочетании с синхронной памятью если и не удержал безоговорочного лидерства, то по-прежнему занимает первые позиции в бенчмарках, хотя проявляет известную слабость при записи плохо сжимаемых данных.

Большой неожиданностью оказался тот факт, что контроллер SandForсe SF-2281 в SSD для интерфейса SATA стала использовать Intel. Им сейчас оснащаются Intel SSD 520, SSD 330 и SSD 335. Союз Intel и SandForce примечателен тем, что у SandForce к тому моменту сложилась сомнительная репутация по части надежности. Был и знаменитый баг в контроллере, при определенных условиях вызывающий BSOD, и более мелкие неприятности вроде того, когда очередная версия публичной прошивки SF-2281 сломала отработку команды TRIM. Похоже, маленький стартап SandForce, оглушенный внезапным успехом первой версии своей платформы, поспешил выпустить обновление без надлежащего контроля качества.

Intel в процессе подготовки SSD 520 пришлось выполнить работу над ошибками своего младшего партнера. Накопители на SF-2281 от Intel обладают эксклюзивной прошивкой и, по заявлению производителя, более надежны, чем устройства с публичной версией firmware. По крайней мере знаменитого бага с BSOD они точно лишены. Увы, Intel все равно опростоволосилась с контроллером SandForce, когда оказалось, что, вопреки спецификациям, чип не выполняет шифрование по стандарту AES-256, а использует только 128-битный ключ. Пришлось организовать программу возврата для тех покупателей, которым был нужен именно AES-256.

Ныне компания SandForce куплена LSI Corporation, крупным производителем полупроводниковых устройств для систем хранения данных (например, контроллеров для жестких дисков). Вопреки имевшим место опасениям, LSI не собирается производить собственные SSD на базе чипов SandForce, и существующим партнерам компании (OCZ, Corsair и пр.) никто не перекроет кислород. Только возможностей по разработке и, главное, тестированию продуктов у команды SandForce под крылом LSI прибавится.

Пока ничего конкретно не известно как о контроллерах SandForce третьего поколения, так и о том, в какой срок появятся первые продукты на их основе. Представители компании говорят только то, что приоритетом для разработчиков сейчас является повышение производительности при записи плохо сжимаемых данных и общее увеличение количества операций в секунду при произвольном доступе, что требует как большей вычислительной мощности, так и усовершенствований в прошивке. Очевидным ограничением для резкого повышения скоростей линейного чтения/записи для SandForce сейчас является хост-интерфейс SATA 6 Гбит/с и интерфейс ONFi 2.X микросхем памяти от IMFT. И есть вероятность, что первая проблема будет разрешена путем использования PCI-E в качестве внешнего интерфейса.

Indilinx Everest 2, Barefoot 3 от OCZ

Одним из главных ньюсмейкеров в рубрике «Накопители »была и остается компания OCZ. Еще в 2011 году она приобрела разработчика NAND-контроллеров Indillinx, знаменитого в прошлом своими чипами линейки Barefoot. Мотивация OCZ понятна: SSD нынче продаются с небольшой маржой, цены падают и скоро уже будет трудно оставаться в этом бизнесе, если твой вклад в продукт ограничивается распайкой микросхем на PCB. Уверенно себя чувствуют компании, обладающие своей долей в производстве NAND-памяти, например Intel и Samsung. А для OCZ единственный способ ощутимо снизить себестоимость SSD заключается в том, чтобы соскочить с иглы SandForce и завести собственный NAND-контроллер. Другую копеечку, по-видимому, OCZ экономит, самостоятельно упаковывая NAND-устройства в корпуса, что заметно по ее логотипу, обильно покрывающему внутренности тестируемых SSD.

К началу 2012 года OCZ уже выпускала две линейки относительно недорогих накопителей на базе платформы Indilinx Everest — Octane и Petrol. Затем была представлена флагманская модель на базе Everest 2 — Vertex 4 и ее удешевленный вариант — Agility 4.

Вопреки ожиданиям, Everest как в первой, так и во второй версии платформы не является полностью разработкой OCZ. Сам процессор произведен Marvell. Вероятно, это модель 88SS9174 или более свежая 88SS9187. OCZ сделала только прошивку. И вот с прошивкой Vertex 4 как раз таки была связана определенная интрига…

Vertex 4 продемонстрировал весьма недурственную производительность, но на позицию однозначного преемника или «убийцы» Vertex 3 новинка не тянула. Скорее можно было сказать, что Vertex 4 представлял собой альтернативный вариант с другими акцентами в его, так сказать, профиле производительности. Но вот выходят прошивки версии 1.4 и 1.5, последовательно создающие радикальный прирост скорости, особенно в части последовательной записи. Vertex 3 и другие накопители на SandForce SF-2281 с синхронными микросхемами все еще имеют определенные преимущества перед Vertex 4, и все же по совокупности достоинств и недостатков его уже можно считать шагом вперед по сравнению с бывшим флагманом.

Особенно хороша модель объемом 128 Гбайт, которая благодаря новой прошивке может успешно соревноваться с другими SSD на платформе Marvell (вот как много зависит от firmware!) вдвое большего объема (а разница между моделями на 128 и 256 Гбайт у SSD всегда существенная).

Agility 4 отличается от Vertex 4 типом используемой памяти: асинхронные 25-нм микросхемы IMFT вместо синхронных. В случае с Agility 3 и Vertex 3 такая замена прошла относительно безболезненно для производительности, благодаря компрессии данных, и позволила несколько сэкономить на стоимости устройства. А вот в Agility 4 нет спасительной компрессии, поэтому он довольно сильно просел в бенчмарках, да и цена на него установлена весьма неубедительная при наличии мощной конкуренции со стороны тех же Vertex 3 и Agility 3.

Сейчас, однако же, появился продукт на чипе Barefoot 3, первом контроллере OCZ, сделанном от начала до конца in house, — Vector. «В этот раз никакого кремния от Marvell, все сами, сами » – как бы говорят нам ребята из OCZ. Он уже попал в цепкие руки вашего покорного слуги и в ближайшее время будет протестирован. Пока что, глядя на спецификации устройства и обзоры наших западных коллег, можно сказать, что Vector получился даже быстрее, чем Vertex 4, и претендует на статус быстрейшего потребительского SSD на сегодняшний день.

Marvell 88SS9174-BLD2 по-прежнему в ходу, первые продукты на Marvell 88SS9187

Marvell представляет вторую, помимо SandForce, распространенную сегодня платформу для SSD. Среди SSD на Marvell в прошедшем году мы тестировали Crucial m4 (в составе группового теста SSD объемом 120-128 Гбайт), Plextor M3 и M3 Pro.

Контроллер Marvell 88SS9174 не является чем-то новым. Его первая версия, 88SS9174-BJP2, появилась еще в 2010 году. К настоящему моменту чип обновился до третьей версии, 88SS9174-BLD2, и в накопителях сочетается с современной памятью: 25-нм IMFT или 24-нм Toshiba Toggle-Mode DDR.

Конкретные модели на платформе Marvell могут сильно отличаться друг от друга по производительности из-за особенностей прошивки. Этот факт, с одной стороны, отпугивает от Marvell партнеров, не обладающих достаточным R&D-ресурсом, а с другой – обеспечивает большие возможности для тех, у кого он есть. Plextor как раз принадлежит к последней категории. Честно говоря, мало кто ожидал, что компания, известная разве что старожилам как производитель оптических приводов, внезапно войдет в авангард производителей SSD. Прошлогодние новинки, Plextor M3 и M3 Pro, протестированные нами, показали выдающуюся производительность среди устройств с чипами Marvell и сравнимы с лучшими современными SSD на других контроллерах.

Plextor M5 Pro является первым накопителем на основе чипа Marvell 88SS9187 и одновременно — первым SSD с 19-нм памятью Toshiba Toggle-Mode DDR 2.0. Мы уже держали его в руках, но отложили выход статьи в связи с тем, что Plextor проделала с ним то же, что OCZ — с Vertex 4, выпустив обновление прошивки, которое, среди прочих изменений в производительности, увеличивает скорость произвольного чтения до 100 тыс. операций в секунду. Обещаем организовать обзор, как только к нам прибудет обновленный семпл.

Неожиданные новинки на LAMD LM87800

Corsair стала использовать в потребительских SSD контроллер LAMD LM87800 от прежде неизвестной широкой публике компании LAMD (полное название — Link A Media Devices, входит в состав SK Hynix), которая ранее производила контроллеры только для корпоративных накопителей.

Собственно LM87800 — восьмиканальный контроллер с поддержкой с интерфейсов ONFi 2.X и Toggle Mode DDR. Два накопителя на платформе LAMD, выпущенные Corsair, — Neutron и Neutron GTX — как раз комплектуются синхронными 25-нм микросхемами Micron и 24-нм чипами Toshiba Toggle-Mode DDR соответственно. Среди всех протестированных нами накопителей Corsair Neutron GTX занял лидирующие позиции в тестах по всем основным аспектам производительности. Ничего быстрее для интерфейса SATA нам пока что тестировать не доводилось. Corsair Neutron без приставки GTX, согласно спецификациям, должен быть заметно медленнее.

Intel. Возвращение к собственной платформе

В последние годы Intel, некогда бывшая локомотивом развития SSD, казалось бы, забросила собственную платформу и переключилась на NAND-контролеры от сторонних производителей. Сначала Intel SSD 510 на платформе Marvell, затем ряд устройств на чипе SandForce. И вот, наконец, корпоративный накопитель с третьей версией собственного кремния Intel — SSD DC S3700.

Новый контроллер наконец-то поддерживает интерфейс SATA 6 Гбит/с, обладает восьмиканальной архитектурой и обеспечивает шифрование по стандарту AES-256. По производительности SSD DC S3700 в целом уступает накопителям на платформе SandForce, если не брать в расчет зависимость последнего от компрессии данных. Сила SSD DC S3700 в том, что накопитель обеспечивает постоянное число операций в секунду при произвольной записи даже при длительной нагрузке такого рода, что является проблемой для многих других архитектур. Неудивительно, что Intel выпустила именно корпоративный SSD на этом чипе: расстановка акцентов неактуальна для десктопа.