Итоги 2013 года: из чего сделаны SSD и что происходит с HDD

В продолжение традиции, заложенной в прошлогодних «Итогах» по накопителям для десктопных ПК, статья сосредоточена на SSD. Жесткие диски реже становятся источником новостей, хотя в этом году именно на этом устоявшемся рынке произошли некоторые знаковые релизы и оформились без преувеличения революционные тенденции.

А вот среди SSD, напротив, наблюдается небольшой застой. Разумеется, в течение года выходили интересные и по-своему выдающиеся продукты, но в целом не произошло никаких драматических изменений. В большинстве SSD используются чипы памяти уже знакомых типов, лишь окончательно завершился переход на техпроцесс 19-21 нм, применяются те же контроллеры. Быстродействие потребительских SSD еще немного увеличилось по сравнению с показателями 2012 года, но колоссальные темпы роста, которые наблюдались при переходе с SATA 3 Гбит/с на 6 Гбит/с, остались позади. В целом при взгляде на результаты бенчмарков очередной новинки не отпускает впечатление, что накопители уже плотно уткнулись в предел возможностей интерфейса SATA 6 Гбит/с. А ведь стандарт SATA Express все еще далек от массовой реализации. Хуже того, по последним слухам, Intel не собирается включать SATA Express в чипсеты 9-й серии, на которые мы ранее возлагали надежды.

Единственная отрада — первые ноутбуки премиум-класса с накопителями в форм-факторе M.2 (входит в спецификацию SATA Express) или проприетарного формата (SSD от Samsung с нативной шиной PCI-E в MacBook Air и Pro последней волны). Еще одна хорошая новость: нас ждет не только интерфейс, который облегчит выход твердотельных накопителей из песочницы SATA на простор PCI-Express, но и набор команд NVMe (Non-Volatile Memory Express), специально приспособленный к архитектуре SSD, в отличие от AHCI, который был создан для дисковых накопителей. Совместную работу над новым набором команд ведут сразу одиннадцать компаний. Но это дело еще более отдаленного будущего. А пока зафиксируем ситуацию такой, какой она представляется в самом начале 2014 года.

⇡#Чипы NAND Flash: переход на 19-21 нм выполнен

Главным занятием для производителей SSD в ушедшем году было внедрение чипов памяти, произведенных по технологии 20 нм (от IMFT) или 19 нм (Toshiba). Для устройств с памятью IMFT переход был определен в основном экономической целесообразностью, так как чипы емкостью 64 Гбит не выросли в производительности по сравнению с синхронными микросхемами стандарта 25 нм.

А вот чипы Toshiba, шагнув с 24 на 19 нм, приобрели обновленный интерфейс Toggle-Mode DDR 2.0, увеличивший пропускную способность NAND-устройства с 133 до 400 Мбайт/с. Как следствие, микросхемы Toshiba стали лучшей памятью, которой только можно оснастить потребительский SSD. Мы имели возможность убедиться в этом на примере накопителя Plextor M5 Pro, который мы не раз рекомендовали в качестве одного из предпочтительных кандидатов на покупку. Не так часто попадаются микросхемы 19 нм под маркой SanDisk, но на самом деле это то же, что чипы Toshiba: компании обладают совместным производством — так же, как Intel и Micron владеют долями в IMFT.

Гораздо позже появились устройства на базе конкурирующей технологии — 20-нанометровых чипов IMFT с интерфейсом ONFi 3.0. Этот стандарт также обеспечивает пропускную способность NAND-устройства до 400 Мбайт/с в одном направлении, но пока зарезервирован для кристаллов емкостью 128 Гбит. Попутно 128-гигабитные чипы претерпели внутреннюю реорганизацию, связанную с укрупнением адресуемых множеств ячеек — страниц и блоков. Преобразования мы подробно изучили на примере устройства, в составе которого дебютировали чипы, — Crucial M500. У новой памяти от IMFT отличная производительность, но есть одно неприятное свойство: для того чтобы укомплектовать SSD чипами емкостью 128 Гбит, их требуется вдвое меньше, чем чипов по 64 Гбит. Из этого следует, что накопители емкостью 128 Гбайт не могут полностью задействовать пропускную способность контроллера и попадают в ту незавидную категорию, где раньше пребывали малоемкие 64-Гбайт модели.

Между тем на 2014 год запланирован выпуск первых SSD, оснащенных памятью, которая произведена на мощностях IMFT по техпроцессу 16 нм. Архитектурно новые чипы являются аналогом 20-нанометровых микросхем емкостью 128 Гбит, только с меньшим размером транзистора. Между прочим, производитель сумел удержать на прежнем уровне число циклов перезаписи ячеек (3000).

Особняком стоят микросхемы NAND Flash от Samsung, которые не применяются ни в каких других SSD, кроме тех, что производит сам корейский гигант. Чипы Samsung категории MLC, выполненные по норме 21 нм, обладают интерфейсом Toggle-Mode DDR 2.0 с пропускной способностью 400 Мбайт/с. Их можно встретить в топовых накопителях корейской компании — Samsung SSD 840 Pro.

А вот чипы TLC (три бита в ячейке) Samsung уже перевела на техпроцесс 19 нм, что, впрочем, не повлекло изменений ни в интерфейсе, ни в логической организации адресного пространства, ни даже в долговечности ячеек. Такие микросхемы входят в состав модели Samsung SSD 840 EVO, которая пришла на замену Samsung SSD 840 и обладает весьма привлекательным соотношением «цена — производительность».

⇡#Контроллеры SSD: самое интересное — впереди

Компания OCZ была одним из считаных участников рынка, который за прошедшее время активно пытался продвигать собственную оригинальную платформу SSD вместо того, чтобы ограничиться общедоступными контроллерами SandForce или Marvell. В списке лучших накопителей, которые мы открыли для себя в 2013 году, две позиции занимают продукты OCZ — Vector и Vertex 450. Оба построены на базе процессора, от начала и до конца разработанного в стенах OCZ — Indilinx Barefoot 3 (только Vertex 450 комплектуется более свежей версией — Barefoot 3 M10).

Но как бы хороши ни были устройства сами по себе, бизнес OCZ дышит на ладан. За свою нелегкую историю компания выпустила множество дерзких и оригинальных продуктов, и в особенности велик ее вклад в развитие твердотельных накопителей. Но теперь, увы, OCZ пошла по миру, и недавно ресурсы компании были приобретены Toshiba за 35 млн долларов, что немного в масштабах такого покупателя — и совсем дешево, если вспомнить, что сама OCZ когда-то купила разработчика контроллеров Indilinx за 32 миллиона.

Но вернемся к технике. Помимо контроллеров OCZ, по-прежнему держат марку чипы Marvell (а именно — Marvell 88SS9187). Устройства с процессорами Marvell, протестированные нами за год, — Plextor M5 Pro и Crucial M500 — не тянут на статус чемпионов, но обладают более чем достойной производительностью.

Samsung использует в SSD собственные процессоры, но не особо распространяется об архитектуре и не придумывает легко запоминаемых названий для «кремния». Известно, что в современных моделях — SSD 840 Pro и SSD 840 EVO — установлены чипы под кодовыми наименованиями MDX и MEX. SSD 840 Pro по праву претендует на первое место по производительности среди современных твердотельных накопителей, а SSD 840 EVO берет ценой, также при неплохом быстродействии.

Corsair продолжает выпуск накопителей семейства Corsair Neutron на замечательном контроллере LAMD LM87800. Neutron GTX, который мы тестировали в исходном варианте, перевели на память Toshiba 19 нм, что помогло устройству сохранить статус одного из быстрейших потребительских SSD перед лицом конкуренции со стороны Samsung и OCZ. Аналогичной конфигурацией обладает накопитель от компании, основной бизнес которой связан с жесткими дисками, — Seagate 600. Кстати, у Seagate есть SSD, построенный на собственном контроллере для интерфейса SAS 12 Гбит/с, — Seagate 1200, но корпоративное железо мы оставим за кадром.

Intel, некогда породившая столь важные в истории SSD устройства под маркой X-25, также ограничивает сферу применения собственного «кремния» корпоративными продуктами, а потребителям предлагает SSD на чипе SandForce SF-2281, который все еще обладает неплохой производительностью, но сам по себе уже давно никому не интересен. И разумеется, на базе SF-2281 по-прежнему штампуется множество SSD менее солидных производителей, но прогресс ушел далеко вперед от продукта, представленного аж в 2010 году, и рекомендовать такие накопители к покупке мы не будем.

К счастью, LSI не так давно обнародовала впечатляющие спецификации долгожданного контроллера SandForce третьего поколения — SF3700. От предшественников новый процессор унаследовал механизм компрессии данных на лету — DuraWrite и технологию организации чипов памяти в массив с избыточной информацией — RAISE. В остальном это чип, созданный с чистого листа. Девятиканальный (!) контроллер поддерживает Flash-память с интерфейсами ONFi и Toggle-Mode DDR, но самое интересное — в качестве хост-интерфейса может использоваться либо SATA 6 Гбит/с, либо PCI Express 2.0 (вплоть до четырех линий). Микропрограмма контроллера пока находится на ранних этапах разработки, поэтому коммерческие продукты на базе SF3700 вряд ли появятся раньше середины 2014 года.

⇡#Жесткие диски: большие растут, компактные уменьшаются

В очередной раз напомним читателям, что технология записи данных на магнитных пластинах не будет повсеместно вытеснена SSD в масштабе многих лет, если не десятилетий. И вообще, она не является ни устаревшей, ни тем более примитивной по сравнению с Flash-памятью, а во многих отношениях ее можно назвать даже более изощренной и наукоемкой.

За последний год потребительские HDD не прибавили в емкости. Пределом плотности записи для дисков форм-фактора 3,5 дюйма остается 1 Тбайт на пластину, а для 2,5-дюймовых — 500 Гбайт, кое-где по-прежнему применяются пластины емкостью 800 Гбайт. Все изменения за прошедший год были связаны с конфигурацией пластин в корпусе и электронной обвязкой жесткого диска.

С технологической точки зрения главное событие года — давно запланированный HGST выпуск накопителей, заполненных гелием. Низкая плотность гелиевой атмосферы позволила упаковать в 3,5-дюймовый корпус дисков серии Ultrastar He6 семь пластин совокупным объемом 6 Тбайт.

Но, честно говоря, такие решения сигнализируют о том, что увеличение плотности записи на магнитных пластинах подошло к очередному пределу. В качестве другого неоднозначного решения предлагается Shingled Magnetic Recording (SMR) — технология, предполагающая наложение дорожек секторов, из чего как раз проистекает увеличение плотности записи. Но есть издержки, которые наверняка ограничат применение дисков с SMR далекими ярусами в дата-центрах.

Технология предполагает, что пересекающиеся дорожки можно считывать по отдельности, а вот записывать — только одновременно. Напоминает структуру NAND Flash-памяти: чтобы перезаписать содержимое единственной дорожки, при использовании SMR необходимо позаботиться и о ее соседке, что приводит к неизбежному падению средней скорости записи. В 2014 году Seagate обещает открыть поставки SMR-дисков с емкостью 1,25 Тбайт на пластину в форм-факторе 3,5 дюйма и общим объемом 5 Тбайт.

Другое направление эволюции HDD — гибридные накопители для ноутбуков и не только, в которых производители стремятся сочетать быстродействие SSD с емкостью жесткого диска. Seagate переименовала серию собственных гибридов Momentus XT в Seagate SSHD и пополнила ее моделью Thin SSHD в корпусе толщиной 7 мм на базе единственной пластины объемом 500 Гбайт. Seagate также первой выпустила SSHD для десктопа в форм-факторе 3,5 дюйма в модификациях с емкостью от 1 до 4 Тбайт.

Western Digital производит еще более тонкий гибридный накопитель серии WD Black емкостью 500 Гбайт в корпусе толщиной 5 мм, в котором роль твердотельного компонента играет чип iSSD (контроллер и NAND-устройство в одной микросхеме) SanDisk. В 7 мм WD умудрилась упаковать уже две пластины. Но в продаже вы эти устройства просто так не найдете: поставки ограничиваются OEM-каналами.

Для розницы предназначена модель WD Black², созданная на платформе HDD объемом 1 Тбайт в классическом корпусе 9,5 мм. В отличие от большинства гибридов, здесь применяется SSD впечатляющих характеристик: 120 Гбайт Flash-памяти и четырехканальный контроллер. Между прочим, типичная конфигурация для ноутбучных SSD форм-фактора mSATA.

Свои гибриды есть и у Toshiba: модели MQ01ABDH и MQ01ABFH объемом 1 Тбайт и 500 Гбайт соответственно.

Среди чистокровных HDD как Seagate, так и Western Digital предлагают тонкие и ультратонкие модели в корпусах 7 и 5 мм, но опять-таки только WD сумела поместить в пространстве 7 мм две пластины по 500 Гбайт.