Итоги 2016 года: SSD-накопители

Если вам кажется, что мир персональных компьютеров давно утратил былую живость и стал похож на унылое болото, значит, вы попросту не знаете о том, что происходит нынче с твердотельными накопителями. Здесь нет совершенно никаких намёков на консолидацию игроков, на дуополию или на близкое к монопольному положение какого-либо из производителей. Напротив, SSD – это не только молодая и интересная отрасль, которая приносит в ПК свежую струю, но и к тому же крайне динамичный развивающийся рынок, с острой ценовой и конкурентной борьбой и очень быстро меняющейся ситуацией. Поэтому многие события на рынке SSD нередко превращаются в настоящую драму о борьбе новых технологий против старых, о соперничестве мелких производителей с гораздо более крупными, о масштабных поглощениях и коммерческих сделках, о взлётах и падениях, о ценовых играх и заботе об интересах пользователей, а заодно и о том, как стремительно может меняться картина происходящего в течение небольших отрезков времени.

Но 2016 год на рынке твердотельных накопителей несколько отличался от предыдущих. Хотя это и мало кто заметил, он дал ответы на многие вопросы, которые то и дело возникали раньше. И если в прошлогодних и позапрошлогодних итоговых обзорах мы с полной уверенностью могли говорить лишь о том, что случилось, а все прогнозы оставались лишь робкими (и не всегда успешными) попытками заглянуть в будущее, то теперь настал такой момент, когда многие развилки истории уже пройдены, и перед нами вырисовывается достаточно ясная картина твердотельного накопителя завтрашнего дня.

Сумма новых технологий – Intel SSD DC P3520. Один из свежих NVMe SSD компании Intel на базе 3D MLC NAND для серверного рынка

Тем не менее это не значит, что сюрпризов на рынке твердотельных технологий в ближайшей перспективе уже не ожидается. Напротив, в течение 2016 года три ведущих разработчика, компании Micron, Intel и Samsung, упорно выстраивали принципиально новые подходы к построению памяти для твердотельных накопителей. И плоды от этих ростков, которые на самом деле снова могут поменять на рынке SSD если не всё, то очень многое, ожидаются в относительно недалёком будущем. Но это тема отдельного разговора. Сегодня же наш материал выходит в серии «итоги», поэтому мы будем говорить о том, какие ответы на насущные вопросы про твердотельные накопители дал год прошедший.

⇡#TLC – это новая MLC

Любой разговор о том, что происходит на рынке твердотельных накопителей, неминуемо сводится к NAND-памяти. Флеш-память – основной компонент SSD, и именно он во многом определяет их производительность, цену и надёжность. И в этом отношении 2016 год стал переломным. Если год назад основным типом памяти для потребительских моделей SSD выступала MLC NAND, а TLC-память применялась лишь в бюджетном сегменте, то к сегодняшнему моменту ситуация в корне изменилась.

Темпы экспансии флеш-памяти с трёхбитовой ячейкой

Объёмы производства TLC NAND в натуральном выражении обошли выпуск MLC-памяти ещё в конце 2015 года, и сегодня NAND-память с трёхбитовой ячейкой – это наиболее массовый и распространённый вариант. И хотя такое положение дел серьёзно расстраивает консервативных пользователей, которые считают, что TLC не может обеспечить достойную надёжность, на самом деле это уже далеко не так. В части характеристик трёхбитовой памяти произошли заметные изменения, и сегодняшняя TLC NAND имеет мало общего с той памятью, с которой нам приходилось сталкиваться на заре этой технологии. Нормы технологических процессов, применяемых при её производстве, перестали сокращаться два года тому назад. Поэтому сейчас планарная память выпускается по весьма зрелым 15/16-нм техпроцессам, которые отлажены до такой степени, что не только дают очень высокий выход годных кристаллов, но и гарантируют хорошее качество полупроводниковой структуры ячеек. В итоге сегодняшняя TLC NAND способна переносить в разы большее число перезаписей по сравнению с трёхбитовой памятью первых поколений, для которой гарантированный ресурс составлял лишь 500-1000 перезаписей.

Ещё одно важное изменение коснулось контроллеров, используемых в основе большинства TLC-накопителей. Хорошим тоном стало применение контроллеров с поддержкой LDPC ECC – сильных адаптивных алгоритмов коррекции ошибок, которые увеличивают вероятность правильного считывания данных из TLC NAND в несколько раз.

Такие контроллеры достаточно давно предлагаются компаниями Silicon Motion и Marvell, и они позволяют выпускать TLC-накопители с уровнем надёжности, сходным с надёжностью старых MLC-моделей.

Иными словами, массовое принятие TLC-памяти – это устойчивая тенденция, в основе которой лежит не только желание производителей увеличить норму прибыли. Таково одно из проявлений прогресса, благодаря которому SSD могут продолжить вытеснение с рынка магнитных носителей информации. Ведь TLC NAND обеспечивает более высокую плотность хранения данных и позволяет делать полупроводниковые кристаллы с более высокой ёмкостью. А значит, её внедрение открывает путь к наращиванию предельных объёмов и к дальнейшему снижению удельной стоимости твердотельных накопителей.

Впрочем, MLC NAND пока окончательно не утратила своей роли и не уподобилась нишевой SLC NAND. Да, TLC-накопителей на рынке заметно больше, однако память с двухбитовой ячейкой остаётся вполне естественным вариантом для флагманских моделей накопителей. MLC NAND может обеспечить примерно полуторакратное преимущество в латентности и многократное превосходство в пропускной способности при записи данных, поэтому она продолжает повсеместно использоваться в скоростных SSD с шиной PCI Express, а также в SATA SSD высокого класса, ориентированных на обслуживание значительных нагрузок.

Однако нет никаких сомнений в том, что доля MLC-памяти продолжит снижаться, и, более того, в перспективе ожидается приход на рынок ещё более плотной памяти по сравнению с TLC – QLC NAND. В ней в каждой ячейке предусматривается хранение сразу четырёх бит данных, и накопители на основе этой технологии уже находятся в разработке по меньшей мере у двух крупных производителей – у Micron и Toshiba.

QLC-накопитель с указанными характеристиками Toshiba разрабатывает для использования в дата-центрах Facebook✴

Компании обещают, что внедрение QLC позволит существенно увеличить ёмкость твердотельных накопителей без особых потерь в производительности уже в течение ближайших двух-трёх лет. Как ожидается, это расширит сферу применения SSD в том числе и на хранение «холодных данных» и станет ещё одним гвоздём в крышку гроба традиционных жёстких дисков.

⇡#3D NAND: медленно, но верно

Другое направление увеличения плотности хранения данных в чипах NAND-памяти – переход с планарной на трёхмерную компоновку полупроводниковых кристаллов. 3D NAND – весьма многообещающая технология, и её повсеместного внедрения мы ждали именно в 2016 году. Но не получилось. На данный момент полномасштабным выпуском трёхмерной флеш-памяти для SSD могут похвастать лишь два производителя: Samsung и совместное предприятие IMFT (Micron плюс Intel). Что же касается SK Hynix и альянса Flash Forward (Toshiba плюс Western Digital), то к производству 3D NAND они тоже приступили, но, к сожалению, не для твердотельных накопителей.

В результате внедрение 3D NAND, несмотря на её перспективность, происходит крайне медленно. Безоговорочное первенство на этом фронте удерживает Samsung. Компания начала выпускать многослойную флеш-память ещё в 2012-2013 годах, и в 2016-м разработанная ей 3D V-NAND применялась в подавляющем большинстве накопителей Samsung. Причём речь в данном случае идёт уже о трёхмерной памяти третьего поколения, число слоёв в которой доведено до 48.

48-слойная V-NAND с начала 2016 года применяется в большинстве накопителей Samsung

Благодаря этому Samsung удаётся удерживать первенство в наращивании ёмкостей SSD. Так, сейчас компания может предложить пользователям ПК массовые модели, ёмкость которых достигает отметки в 4 Тбайт, и серверные накопители с объёмом до 16 Тбайт. Нужно добавить, что не за горами и внедрение 64-слойной памяти, которая относится к следующему, четвёртому поколению. Появление накопителей на её основе ожидается в течение ближайших месяцев.

Относительно неплохо дело с 3D NAND идёт и у Micron. За прошедший год компания смогла наладить массовое производство 32-слойной памяти и начать её использование в твердотельных накопителях, ориентированных на массовый сегмент. Переход на новую технологию происходит у Micron весьма уверенными темпами. К концу года память с трёхмерной компоновкой обошла по объёмам производства традиционную планарную память. И это позволяет компании не только использовать 3D NAND в SSD, продаваемых под собственным именем и под дочерней маркой Crucial, но и поставлять трёхмерные чипы флеш-памяти на сторону. Их крупнейшими покупателями выступают фирмы ADATA и Transcend, в ассортименте которых уже появились основанные на многослойной памяти Micron модели.

Внутренняя структура 3D NAND компаний Micron и Intel

Планомерное внедрение 3D NAND в собственные твердотельные накопители происходит и у Intel. Компания использует ту же самую технологию, что и Micron, и поэтому нет ничего удивительного, что к настоящему моменту она смогла представить несколько моделей SSD (в основном нацеленных на корпоративный и серверный рынок) на базе трёхмерной памяти. А если учесть, что Intel отказалась от развёртывания на своей NAND-фабрике планарного 16-нм полупроводникового процесса, это означает, что в скором времени компания наконец-то вернётся к применению в своих накопителях памяти собственного изготовления.

К сожалению, остальные производители полупроводников заметным прогрессом во внедрении 3D NAND похвастать пока не могут. Хотя Toshiba, Western Digital и SK Hynix запустили производство трёхмерной флеш-памяти ещё в начале 2016 года, в реальности не существует ни одного твердотельного накопителя, где бы она применялась. Проблема в качестве: память этих производителей пока годится только для использования в составе eMMC-, UFS- и eMCP-продуктов, но не для SSD, где требования к выносливости и стабильности ячеек гораздо выше.

Тем не менее в начале наступившего года SK Hynix планирует начать выпуск третьего поколения своей 3D NAND с 48 слоями, а Toshiba и Western Digital должны освоить массовое производство 64-слойной трёхмерной памяти BiCS3, которая и в том, и в другом случае для SSD должна подходить. И это значит, что 2017 год имеет все шансы стать переломным моментом, когда трёхмерная память всё-таки начнёт повсеместно вытеснять память с планарной структурой.

Рубикон должен быть перейдён в середине 2017 года

Кроме того, упомянуть нужно и про принципиально новые разработки, которые, вероятно, мы сможем увидеть в действии в новом году. Во-первых, это многообещающая память 3D XPoint, над созданием которой трудятся компании Intel и Micron. В её основе лежит технология PCM (память с изменением фазового состояния) благодаря которой ожидается примерно 10-кратное снижение латентностей, трёхкратное увеличение выносливости, четырёхкратное увеличение скоростей записи, трёхкратный рост скоростей чтения и 30-процентное снижение энергопотребления по сравнению с продуктами на традиционной NAND.

Так выглядят оценки производительности Intel Optane

Правда, при этом никто не обещает низких цен – речь идёт лишь о том, что продукты на базе 3D XPoint будут продаваться дешевле DRAM-памяти аналогичного объёма. А потому очень похоже, что 3D XPoint-накопители первого поколения, для которых Intel собирается использовать марку Optane, а Micron – QuantX, первое время будут иметь небольшую ёмкость и смогут позиционироваться лишь в качестве кеширующего посредника для дисковой системы. А это значит, что говорить о массовости продуктов на базе 3D XPoint не придётся ещё долгое время.

3D XPoint – одна из самых многообещающих технологий на рынке SSD

Перспективными и принципиально новыми проектами в сфере 3D NAND занимается и компания Samsung, которая ведёт разработку технологии Z-NAND. К сожалению, известно про неё гораздо меньше, чем про 3D XPoint, но тем не менее первые накопители Z-SSD на основе Z-NAND Samsung намеревается вывести на рынок в наступившем году. И в это вполне можно поверить: в Z-NAND не применяются никакие новые физические принципы, и, судя по всему, эта память представляет собой нечто похожее на трёхмерную многослойную SLC NAND. При этом разработчики обещают, что латентность у Z-NAND не будет уступать латентности 3D XPoint, а пропускная способность окажется даже выше.

Samsung Z-SSD – южнокорейская альтернатива Intel Optane

⇡#Цены больше не падают, и даже наоборот

В течение последних лет мы привыкли к устойчивой тенденции: цены на SSD должны планомерно снижаться. Действительно, производители памяти постоянно вводят в строй новые производственные мощности и внедряют новые технологии, которые позволяют наращивать плотность хранения данных в устройствах NAND. Благодаря этому объёмы выпуска флеш-памяти (в мерах ёмкости) ежегодно увеличиваются примерно на 40 процентов, что на протяжении последних лет являлось веской причиной для непрерывного снижения удельной стоимости флеш-памяти, а следовательно, и SSD. Однако в 2016 году этот механизм сломался, и испортила его, как это ни странно, компания Apple.

Структура спроса на рынке флеш-памяти

Дело в том, что рынок SSD поглощает лишь около 40 процентов производимых отраслью чипов NAND. Остальное же потребляется рынком мобильных устройств. Поэтому происходящее там может оказывать очень сильное влияние на рынок SSD. Так и случилось. В середине 2016 года спрос на чипы NAND скачкообразно вырос, причиной чего стало решение Apple удвоить объёмы памяти в iPhone 7. Это решение повлекло за собой ответную реакцию со стороны многих других производителей смартфонов, поэтому совершенно неудивительно, что на рынке флеш-памяти возник дефицит, который вылился в заметный рост цен.

Для примера: годовое изменение спотовой цены 128-Гбит чипов MLC NAND компании Micron

Начиная с середины 2016 года цена на кристаллы NAND возросла почти на треть. И естественно, это не могло не повлиять на стоимость твердотельных накопителей, флеш-память в которых – это один из основных компонентов. Пока, конечно, о симметричном подорожании SSD речь не идёт, и в течение прошедшего года цены по большей части всего лишь не падали. Но так продолжаться не будет. К концу года накопители всё-таки подорожали на 6-10 процентов, если говорить о MLC-моделях, и на 6-9 процентов – в случае TLC-моделей. Причём это – далеко не разовая акция. Прогнозы говорят о том, что в течение нескольких следующих месяцев стоимость SSD вырастет ещё на 20-25 процентов относительно сегодняшнего уровня, и нет никаких причин в это не верить.

Изменение цены за 2015-2016 год на один из самых популярных SSD – Samsung 850 EVO 500 Гбайт

Сложным периодом для SSD видится весь предстоящий год. Ожидается, что спрос на чипы NAND в течение года продолжит расти и в конечном итоге вновь увеличится на 45-50 процентов по сравнению с прошлым годом. Объёмы же производства NAND при этом могут быть подняты лишь на 30 процентов ввиду того, что производители памяти, за исключением Toshiba и Intel, приостановили запуск новых производственных мощностей, а отладка технологии многослойной памяти, которая позволяет увеличить выход продукции за счёт увеличения её плотности, происходит значительно медленнее изначального плана. То есть дефицит флеш-памяти как минимум сохранится, а в худшем случае – ещё и усилится.

Ещё пример: изменение цены на SanDisk Ultra II 240 Гбайт

Всё это, естественно, скажется и на экспансии SSD. Понятно, что изначально сформулированные цели по замещению твердотельными накопителями традиционных механических винчестеров теперь достигнуты быть не могут. Кроме того, перестанет расти и пользовательский спрос на SSD большого объёма. Да, 256- и 512-гигабайтные твердотельные накопители за последние два года стали более популярны, чем 128-гигабайтные, а средняя ёмкость продаваемых SSD к настоящему моменту увеличилась до примерно 360 Гбайт, но дальнейшего смещения пользовательского интереса в сторону более вместительных моделей накопителей по меньшей мере до 2018 года теперь ждать не приходится. Не снизится до уровня полутерабайтных HDD и стоимость 128-гигабайтных моделей твердотельных накопителей. То есть массовое внедрение SSD в недорогих компьютерах и ноутбуках, которого ждали в 2017 году, очевидно, теперь отодвинется на более поздний срок.