Обзор SSD Samsung 850 Pro: рождение новой звезды?

В течение последних лет Samsung смогла стать одним из ключевых игроков на рынке твердотельных накопителей. Стратегия компании заключается в полной вертикальной интеграции производства от начала и до конца, что позволяет ей держать первенство при внедрении новых перспективных технологий. Занимаясь одновременно разработкой и выпуском как контроллеров, так и флеш-памяти, компания получает огромное инженерное преимущество, поскольку ввод в эксплуатацию и отладка новых дизайнов не требуют никакого стороннего участия. И примеры реализации этого преимущества мы уже наблюдали: здесь уместно вспомнить SSD серии 840, которые стали первыми массовыми продуктами, базирующимися на трёхбитной TLC NAND. Именно благодаря этой технологии Samsung смогла покорить рынок массовых флеш-дисков. Использующие недорогую TLC-память собственного самсунговского производства накопители серии 840, а впоследствии и 840 EVO, предложили отличное сочетание производительности и цены, что в конечном итоге сделало их одними из самых популярных решений.

Теперь же, спустя два года с момента появления TLC NAND, Samsung вновь совершает мощный технологический прорыв и выпускает новаторские накопители серии 850 Pro — первые потребительские SSD, в которых применена принципиально новая MLC NAND с трёхмерной компоновкой. Несмотря на то, что Samsung 850 Pro официально на российский рынок пока не поставляется, нашей лаборатории удалось заполучить и протестировать экземпляр многообещающего твердотельного накопителя. Станет ли этот SSD достойным продолжателем традиций модели 840 Pro и займёт ли он место лучшего флеш-диска для персональных компьютеров, мы выясним в этом материале.

⇡#Samsung V-NAND: новая парадигма флеш-памяти — в действии

Память типа NAND изменила весь рынок хранения данных. Накопители, основанные не на традиционных жёстких магнитных дисках, а на флеш-памяти, смогли установить фундаментально более высокий уровень производительности, и это сделало их одной из наиболее интересных компьютерных технологий последнего десятилетия. В то же время NAND-память — далеко не новое изобретение. На самом деле она появилась ещё в 70-х годах прошлого века, но долгое время просто не могла проникнуть в устройства широкого потребления в силу своей дороговизны. Однако технологический прогресс в конце концов смог сделать такую память приемлемой по цене, и теперь представить себе современный производительный компьютер без SSD, начинённого MLC или TLC NAND, стало попросту невозможно.

В деле снижения стоимости флеш-памяти основную роль сыграло совершенствование полупроводниковых технологических процессов, которые используются для производства кристаллов NAND. Уменьшение норм производства снижает площадь получающихся кристаллов, повышая плотность хранения в них информации, что в конечном итоге приводит к уменьшению себестоимости твердотельных накопителей. Например, массовое проникновение SSD на потребительский рынок началось при переводе производства кристаллов флеш-памяти с 50-нм процессов на 30-нм. Сейчас же в ходу техпроцессы с нормами менее 20 нм, и стоимость флеш-дисков вполне закономерно продолжает падать.

Однако следует иметь в виду, что совершенствование техпроцессов до бесконечности невозможно. Более того, производители флеш-памяти уже ощущают скорое и неминуемое приближение технологических пределов. Дело в том, что с утончением производственных норм и уменьшением геометрических размеров транзисторов у флеш-памяти снижаются характеристики надёжности. Например, память, выпускавшаяся по 50-нм технологии, была способна выдержать до 10 тысяч циклов перезаписи, сегодняшняя же 20-нм NAND в лучшем случае рассчитана на 3 тысячи циклов программирования-стирания. Иными словами, на пути дальнейшей масштабируемости традиционной NAND-памяти, на которую, как и на прочие полупроводниковые устройства, пока ещё распространяется закон Мура, встают серьёзные препятствия.

К счастью, всё это вовсе не означает, что прогресс будет замедляться. На помощь приходят принципиально новые идеи, вносящие изменения в конструкционные принципы флеш-памяти и позволяющие увеличить плотность хранения информации без снижения размеров ячеек.

Первой такой идеей стала попытка увеличить разрядность ячеек при переходе от SLC NAND к MLC- и TLC-памяти, где в каждой ячейке хранится не один, а два или три бита информации. Достигается это внедрением большего числа сигнальных напряжений. В то время как ячейки SLC используют лишь два уровня напряжения, соответствующие логическим состояниям 0 и 1, в MLC применяется уже четыре напряжения, а в TLC — восемь. Однако на самом деле этот путь — тупиковый. Если переход к MLC можно считать уже делом состоявшимся, то с TLC NAND возникают очень серьёзные проблемы, что, как показывает практика, сдерживает её распространение. Дело в том, что использование большого числа напряжений в плавающем затворе ячейки возможно лишь в том случае, если этот затвор достаточно массивный и способен удерживать значительное число электронов. Но внедрение техпроцессов с тонкими нормами, напротив, сокращает размеры ячеек, поэтому выпуск TLC-памяти по технологиям 10-нм класса становится экономически невыгодным. Снижается не только выход годных кристаллов, но и надёжность распознавания сигналов, что требует внедрения в управляющую логику более сложных схем аналого-цифрового преобразования и контроля целостности данных. Плюс остро встаёт и ещё одна серьёзная проблема — взаимное влияние ячеек, электрическое поле которых порождает интерференционные процессы.

Очевидно, требуется какой-то иной подход. И таким подходом, который должен стать катализатором дальнейшего развития рынка флеш-памяти в течение ближайших нескольких лет, является трёхмерная (3D) NAND. Его суть заключается в том, что вместо увеличения плотности хранения данных на двумерной плоскости полупроводникового кристалла предлагается перейти к использованию вертикального измерения и располагать ячейки не только планарно, но и слоями.

Первой на массовое производство такой памяти смогла выйти компания Samsung, в исполнении которой эта память называется V-NAND (от слова Vertical), в то время как прочие производители, такие как Micron, Toshiba, SanDisk и SK Hynix, собираются приобщиться к перспективной технологии в течение 2015 года.

Самое интересное — 3D NAND делает совершенно ненужной гонку нанометров. Например, та же компания Samsung после внедрения для изготовления своей планарной памяти 19-нм технологии не стала делать следующий шаг, а, напротив, с переходом на выпуск V-NAND откатилась на 40-нм техпроцесс. Высокую же плотность хранения информации, не уступающую плотности обычной NAND, которая выпускается другими производителями по 16-нм и 19-нм техпроцессам, обеспечила многослойная компоновка. Но основной выигрыш нашёлся с другой стороны: зрелые технологии и достаточно крупные полупроводниковые элементы заметно увеличили ресурс памяти и позволили избежать проблем с низким выходом годных кристаллов.

Пробные твердотельные накопители, основанные на V-NAND первого поколения, Samsung смогла представить ещё в прошлом году. Такие новаторские SSD, ориентированные на серверное применение, отлично себя зарекомендовали. Использовавшаяся в них память, которая совмещает 24 вертикальных уровня с ячейками, обеспечила увеличившуюся на 20 процентов производительность, примерно вдвое повысила надёжность и заметно улучшила экономичность флеш-дисков. Это дало Samsung все основания для продолжения разработок в том же направлении. И вот теперь компания готова внедрять новую технологию и на массовый рынок: в арсенале Samsung появилась V-NAND второго поколения с 32 вертикальными уровнями и новый потребительский накопитель на её основе — SSD 850 Pro.

Надо заметить, что V-NAND не просто предполагает расположение ячеек слоями, но и вносит некоторые изменения в базовое устройство ячеек флеш-памяти. Вместе со структурными преобразованиями Samsung воспользовалась технологией Charge Trap Flash (CTF) — «флеш с ловушкой заряда», разработанной инженерами компании ещё в 2006 году. Идея состоит в том, что заряд хранится не в плавающем затворе из легированного поликристаллического кремния, а в тонком непроводящем слое из нитрида кремния. Такая технология легко адаптируется для трёхмерного дизайна: диэлектрик помещается между управляющим затвором и полупроводниковым каналом концентрическими цилиндрами, что в конечном итоге увеличивает надёжность всей схемы и снижает вероятность возникновения структурных дефектов при многослойном производстве. К тому же технология CTF позволяет снизить уровень напряжений, необходимых для программирования ячеек. А это, естественно, положительно сказывается на их времени жизни.

В результате ресурс Samsung V-NAND ощутимо вырос: те самые 32-уровневые кристаллы флеш-памяти, которые попали в Samsung 850 Pro, способны переносить до 35 тысяч циклов программирования-стирания. То есть они на порядок выносливее современной плоской MLC NAND, которая обычно используется в потребительских SSD. Кроме того, понижение программирующих напряжений положительно сказывается как на энергопотреблении, так и на производительности при записи.

Ещё одно важное преимущество V-NAND — её компактность. Выпускаемые по 40-нм технологии полупроводниковые кристаллы V-NAND второго поколения, используемые в Samsung 850 Pro, имеют ёмкость 86 Гбит, при этом их площадь составляет порядка 95 мм². Таким образом, плотность хранения информации в V-NAND превышает плотность размещения данных в 16-нм планарных кристаллах флеш-памяти производства Micron примерно на 20 процентов. К тому же Samsung, осуществляя полный производственный цикл с начала и до конца, обладает возможностью упаковки до 16 ядер V-NAND в одну микросхему. И это значит, что максимальный объём одной микросхемы трёхмерной флеш-памяти может достигать 172 Гбайт.

Конечно, многие плюсы технологии V-NAND проявятся лишь впоследствии. Например, применяемый сегодня интерфейс SATA 6 Гбит/с вкупе с протоколом AHCI не даёт раскрыть всю скорость новой памяти, и в будущих моделях SSD с интерфейсом PCI Express она сможет заиграть новыми красками. Но самое главное, технология трёхмерной памяти прекрасно масштабируема. Ёмкость простых плоских чипов NAND вряд ли превысит 128 Гбит, а V-NAND позволяет беспрепятственно добавлять новые уровни и таким образом наращивать ёмкость. Так, в планах Samsung стоит выпуск в 2017 году терабитных кристаллов, и нет причин, по которым этот рубеж может быть не взят. Попутно производимая по достаточно зрелым техпроцессам V-NAND может легко быть переведена на TLC-дизайн, и это не приведёт к катастрофическому снижению надёжности. Однако на данный момент такие возможности даже не рассматриваются, и в течение ближайших лет упор будет делаться именно на масштабировании памяти в вертикальном измерении.

В ближайшее время мы можем ждать повсеместного внедрения V-NAND во многих продуктах Samsung. Ради этой памяти компания запустила специальный завод в китайском городе Сиань, который к концу этого года должен выйти на полную мощность. Любопытно, что применяемый на этом заводе 40-нм техпроцесс позволил обойтись достаточно дешёвым производственным оборудованием, причём добавление в трёхмерную NAND новых слоёв практически не требует каких-либо дополнительных инвестиций. Например, 32-слойная память выпускается на тех же самых технологических линиях, где раньше производилась память с 24 слоями. И это значит, что ещё одним плюсом новой технологии выступает возможность экономии на техническом переоснащении производства при повышении плотности хранения данных.

Получается, что V-NAND может похвастать всеми возможными преимуществами, причём сразу. Она обладает более низкими латентностями, очень надёжна, предлагает высокую плотность хранения информации, энергоэффективна, а себестоимость её производства сравнительно невысока. И если такую память поместить в накопитель с современным контроллером, то, кажется, должна получиться потрясающая модель, которая будет превосходить всё то, что было выпущено до сих пор. Вышла ли такая модель у Samsung? Давайте посмотрим на 850 Pro подробнее.

⇡#Samsung 850 Pro: технические характеристики

Новый флагманский накопитель Samsung 850 Pro представляет собой дальнейшее логическое продолжение линейки потребительских SSD компании. При этом Samsung внедряет инновации строго последовательно, и V-NAND — единственное принципиальное преимущество 850 Pro перед предшественниками. Этот накопитель продолжает использовать привычный интерфейс SATA 6 Гбит/с и основывается на хорошо знакомом потребителям восьмиканальном контроллере MEX, который давно применяется в серии 840 EVO. Причём контроллер MEX, базисом которого выступают три ядра с ARM-архитектурой, в новой модели сохранил даже свою рабочую частоту — 400 МГц. Однако справедливости ради заметим, что в прошлом флагманском флеш-диске Samsung, 840 Pro, аналогичный по архитектуре контроллер MDX работал на частоте 300 МГц.

В то же время микропрограмма Samsung 850 Pro переписана практически полностью. Поддержка V-NAND реализуется именно через неё, и предлагаемые этой памятью более низкие латентности при записи и стирании информации, более высокий ресурс ячеек и все прочие характерные особенности требуют специальных оптимизаций.

В результате серия Samsung 850 Pro получила следующий набор характеристик:

Несмотря на то, что во многом производительность Samsung 850 Pro сдерживается возможностями интерфейса SATA 6 Гбит/c, даже простые формальные спецификации позволяют прочувствовать скрытую в этом флеш-приводе мощь. Обратите внимание на скоростные характеристики младшей модели ёмкостью 128 Гбайт. Данная модификация практически не отстаёт от старших собратьев, несмотря на то, что контроллер в ней не может воспользоваться чередованием устройств в своих каналах. Типичной скоростью записи для 128-гигабайтных SSD с интерфейсом SATA 6 Гбит/с выступают величины порядка 300 Мбайт/с, но Samsung 850 Pro аналогичного объёма выдаёт почти возможный максимум — 470 Мбайт/с. Это явно указывает на значительно более высокие скорости записи, обеспечиваемые именно технологией V-NAND. Очень похоже, что, когда Samsung наконец выпустит основанный на V-NAND флеш-привод с интерфейсом PCI Express, это будет настоящая бомба. Впрочем, до этого прекрасного момента ещё надо дожить.

Второе преимущество V-NAND, явно прослеживаемое в таблице характеристик Samsung 850 Pro, — высокая надёжность. Все модификации, включая и самую младшую модель ёмкостью 128 Гбайт, имеют декларируемый ресурс записи на уровне 150 Тбайт, то есть по 80 Гбайт в день в течение пятилетнего периода. И это — не просто больше, чем обещано для любой другой модели потребительского SSD. Производитель подчёркивает, что такой ресурс установлен не из технологических, а из политических соображений, чтобы Samsung 850 Pro не создавал внутреннюю конкуренцию серверным моделям с более высокой гарантированной надёжностью. На самом же деле объём данных, который можно записать на новые SSD с трёхмерной флеш-памятью, измеряется петабайтами. Иными словами, проблема исчерпания ресурса записи при типичном десктопном использовании для Samsung 850 Pro стоять вообще не должна. Именно поэтому срок гарантийного обслуживания продлён до 10 лет.

Хочется отметить реализацию в Samsung 850 Pro целого ряда технологий, полезных при установке этого накопителя в мобильные компьютеры. В частности, в этом SSD улучшилась поддержка состояния DevSleep, позволяющего отправлять накопитель в режим сна с потреблением порядка 2 мВт. Также контроллером поддерживается температурный мониторинг, причём при нагреве накопителя до критических состояний автоматически включается троттлинг.

Реализовано в Samsung 850 Pro и аппаратное шифрование по алгоритму AES с 256-битным ключом. Как и в более ранних SSD компании, криптографический движок совместим со спецификациями Windows eDrive (IEEE 1667) и TCG Opal 2.0, а это значит, что управление шифрованием возможно из среды операционной системы, например через стандартное средство BitLocker.

К сказанному остаётся только добавить, что Samsung относится к тому небольшому числу производителей, которые заботятся о предоставлении пользователям удобных сервисных утилит. С Samsung 850 Pro прекрасно работает программа Samsung Magician, обладающая исчерпывающим набором возможностей, включая обновление прошивки, мониторинг состояния флеш-диска, оптимизацию операционной системы и прочее.

Отдельно стоит сказать о реализованной в Samsung Magician программной технологии повышения быстродействия RAPID, которая может работать в паре с новинкой и позволяет выделить часть оперативной памяти для кеширования обращений к SSD. При этом скорости обмена данными, естественно, возрастают, но платой за это выступает риск потери закешированной в памяти информации в случае внезапных отключений питания, перезагрузок или зависаний системы. Одновременно с выпуском Samsung 850 Pro производитель обновил технологию RAPID до версии 2.0, и теперь она может выделять под кеш либо 1 Гбайт памяти, либо 4 Гбайт — в зависимости от того, больше или меньше 16 Гбайт оперативной памяти установлено в системе.

⇡#Внешний вид и внутреннее устройство

На тестировании у нас побывала модификация Samsung 850 Pro ёмкостью 256 Гбайт. С точки зрения характеристик эта модель, как и её собратья на 512 Гбайт и 1 Тбайт, обладает максимально возможной производительностью.

Внешне Samsung 850 Pro мало отличается от предыдущих флеш-дисков Samsung. Для этого SSD используется точно такой же 2,5-дюймовый корпус высотой 7 мм, как в прошлой флагманской модели, 840 Pro. Внешний окрас — чёрный, на лицевой поверхности краской нанесён логотип Samsung и оранжевый квадрат, в том или ином виде присутствующий на всех SSD компании такого же форм-фактора. На оборотной стороне корпуса имеется этикетка, из которой можно почерпнуть информацию о названии и ёмкости модели, её артикуле и серийном номере.

Внутренности Samsung 850 Pro 256 Гбайт куда любопытнее. В первую очередь в глаза бросается то, что в основе этого SSD используется печатная плата урезанного размера. На этой плате размещено всего шесть микросхем.

Первая микросхема — собственно контроллер Samsung MEX. Следует отметить, что на нём нет никаких теплопроводящих прокладок, и с корпусом он не соприкасается. То есть производитель уверен, что тепловыделение контроллера незначительно. Над контроллером установлена микросхема памяти. В нашем случае это LPDDR2-1067 объёмом 512 Мбайт, используемая в качестве буфера.

Что касается оставшихся четырёх микросхем с флеш-памятью, то их набор оказался немного необычным. Поскольку ёмкость кристаллов V-NAND, используемых в Samsung 850 Pro, составляет 86 Гбит, в 256-гигабайтный SSD пришлось поместить два разных типа микросхем: две микросхемы с четырьмя ядрами и две микросхемы с восемью ядрами. Таким образом, контроллер по восьми каналам адресует 24 ядра, то есть пользуется трёхкратным чередованием устройств в каждом канале. Однако, как мы видели по характеристикам производительности, никакой проблемой это не является и Samsung 850 Pro 256 Гбайт при любых вариантах нагрузки показывает максимально возможную скорость.

Если сложить 24 яда по 86 Гбит вместе, то получается, что полная ёмкость флеш-памяти в Samsung 850 Pro 256 Гбайт на самом деле составляет 258 честных ГиБ. Из них пользователю доступны лишь традиционные 238,4 ГиБ, а оставшиеся 7,6 процента ёмкости отводятся на работу технологий сборки мусора, выравнивания износа и, наверное, на подменный фонд, необходимость которого для памяти с ресурсом в 35 тысяч циклов перезаписи вызывает некоторые сомнения.

Однако печатная плата Samsung 850 Pro лишена каких бы то ни было батарей конденсаторов, то есть в этом SSD не предусмотрено специальных средств сохранения целостности информации при внезапном отключении питания. Это — ещё одна причина, по которой потребительский накопитель, построенный на V-NAND с практически бесконечным ресурсом, отнести к серверным решениям всё-таки невозможно.