Спустя всего 4 месяца после запуска TLC V-NAND 9-го поколения, Samsung объявил о начале массового производства аналогичной памяти типа QLC, предлагая рынку более широкую линейку передовых решений для хранения данных. Новая память обеспечивает оптимальную производительность для самых различных сфер применения, в том числе для задач искусственного интеллекта (ИИ).

Источник изображения: Samsung Electronics

Компания Samsung Electronics объявила о начале массового производства 9-го поколения вертикальной NAND-памяти (V-NAND) с четырьмя битами на ячейку (Quad Level Cell, QLC) ёмкостью 1 Тбит. «Успешный запуск массового производства QLC V-NAND 9-го поколения всего через четыре месяца после TLC-версии позволяет нам предложить полную линейку передовых SSD-решений, отвечающих потребностям эпохи искусственного интеллекта», — сказал Сон Хой Хур (SungHoi Hur), исполнительный вице-президент и руководитель подразделения флеш-памяти и технологий Samsung.

Samsung планирует расширить применение QLC V-NAND 9-го поколения, начиная с фирменных потребительских продуктов и заканчивая мобильной универсальной флеш-памятью (UFS), SSD для клиентских ПК и серверов, включая решения для поставщиков облачных сервисов. Новое поколение памяти отличается рядом технологических возможностей, лучше сказать — прорывов. Так, Channel Hole Etching (технология травления каналов) от Samsung позволила добиться максимального количества слоёв в отрасли с двухуровневой структурой. При этом, используя опыт, накопленный при разработке трёхуровневой структуры ячеек (TLC) V-NAND 9-го поколения, специалисты Samsung оптимизировали площадь ячеек и периферийных схем, достигнув ведущей в отрасли плотности битов, которая примерно на 86 % выше, чем у QLC V-NAND предыдущего поколения.

Помимо высокой плотности, QLC V-NAND девятого поколения отличается повышенной производительностью и надёжностью благодаря также технологиям Designed Mold, Predictive Program и Low-Power Design. Технология Designed Mold регулирует расстояние между Word Lines (WL) для обеспечения однородности и оптимизации характеристик ячеек во всех слоях. Технология Predictive Program прогнозирует и контролирует изменения состояния ячеек, чтобы минимизировать ненужные действия. В результате Samsung удалось удвоить скорость записи и повысить скорость ввода/вывода данных на 60 %, а энергопотребление снизить при чтении и записи данных примерно на 30 % и 50 % соответственно благодаря использованию Low-Power Design.

Цены на твердотельные накопители корпоративного назначения в последнее время выросли на 80 %, поскольку они оказались востребованы в системах искусственного интеллекта. Компания SK hynix и её подразделение Solidigm, сформированное на основе бывшего китайского предприятия Intel, собираются увеличить объёмы выпуска памяти 3D NAND для твердотельных накопителей корпоративного назначения.

Источник изображения: SK hynix

Компании готовы отдать приоритет производству памяти типа QLC 3D NAND, на основе которой будут изготавливаться твердотельные накопители большой ёмкости для корпоративных систем. По данным отраслевых источников, на которые ссылается The Chosun Daily, компания SK hynix начала постепенно наращивать объёмы обработки кремниевых пластин на своём предприятии M15 в Чхонджу, чтобы к концу года повысить производительность линий на 10 %. Высокий спрос на корпоративные SSD позволил компании Solidigm завершить второй квартал без убытков, и теперь она рассчитывает увеличить объёмы производства твердотельной памяти на 5 % к началу следующего года.

Потребность систем искусственного интеллекта в скоростных накопителях большой ёмкости обусловлена тем, что они в своей работе создают «точки отката», которые позволяют вернуться к определённому состоянию в случае каких-то сбоев в работе. Кроме того, системам искусственного интеллекта свойственно обрабатывать большие объёмы данных, поэтому спрос на SSD с их стороны растёт. По прогнозам TrendForce, в ближайшие несколько лет спрос на SSD будет ежегодно расти в среднем на 60 % именно благодаря развитию систем ИИ.

Память типа QLC 3D NAND оптимальна для использования в твердотельных накопителях большой ёмкости в составе систем ИИ, поскольку в каждой ячейке может храниться по четыре бита данных, и это позволяет добиться высокой плотности хранения информации при низких энергозатратах. Накопители большой ёмкости на основе QLC 3D NAND сейчас выпускают только Samsung Electronics и Solidigm, причём последняя считается лидером в сегменте накопителей объёмом 60 Тбайт. Её контролеры также не имеют особых проблем с точки зрения совместимости с серверной инфраструктурой. SK hynix в следующем году планирует выпустить QLC-накопители объёмом 64 Тбайт и 128 Тбайт соответственно. Компания рассчитывает войти в число лидеров сегмента и в следующем году будет получать до половины выручки от реализации NAND именно от продукции, продающейся в корпоративном сегменте.

Согласно последнему отчёту аналитической компании TrendForce, глобальная выручка от продаж компьютерной памяти DRAM и NAND в 2024 году вырастут на 75 % и 77 % соответственно. Этот рост будет обусловлен несколькими факторами, включая увеличение спроса и популярности высокопроизводительной памяти HBM.

Источник изображения: Micron

Кроме того, ожидается, что продажи в этих сферах будут продолжать расти и в 2025 году. При этом DRAM вырастет на 51 %, а NAND — на 29 %, достигнув рекордных показателей. Рост будут стимулировать увеличение капитальных расходов и повышенный спрос на первичные сырьевые материалы для Upstream-производства, такие как кремниевые пластины и химические вещества, одновременно увеличив ценовое давление на покупателей памяти.

По оценкам TrendForce, благодаря увеличению средних цен на DRAM на 53 % в 2024 году выручка от продаж DRAM достигнет 90,7 млрд долларов США в 2024 году, что на 75 % больше по сравнению с предыдущим годом. В следующем году средняя цена вырастет ещё на 35 %, а выручка достинет 136,5 млрд долларов США, что на 51 % больше по сравнению с 2024 годом. Ожидается также, что в 2024 году на долю HBM придётся 5 % от общего объёма поставок DRAM и 20 % от выручки.

Источник изображения: TrendForce

Кроме того, популярность таких типов памяти, как DDR5 и LPDDR5/5X, также будет способствовать увеличению средней цены на рынке. Ожидается, что к 2025 году доля DDR5 на рынке серверной памяти достигнет 60-65 %, а LPDDR5/5X займёт 60 % рынка мобильных устройств.

В сегменте флеш-памяти NAND рост будет стимулироваться внедрением 3D QLC — технологии, которая позволяет хранить больше данных на одном чипе. По прогнозам, в 2024 году на долю QLC будет приходиться 20 % от общего объёма поставок NAND, а в 2025 году этот показатель должен увеличится. При этом внедрение QLC на смартфонах и серверах станет ключевым фактором роста этого сегмента.

Источник изображения: TrendForce

Ситуация повлияет и на рынок, и на потребителей. Рекордная выручка позволит производителям памяти увеличить инвестиции в исследования и разработки, а также расширить производство. Прогнозируется рост капитальных затрат в индустрии DRAM и NAND на 25 % и 10 % соответственно в 2025 году.

Однако рост цен на память неизбежно приведёт к удорожанию электроники для конечных потребителей. При этом производителям электроники будет сложно переложить все расходы на покупателей, что может привести к снижению прибыли и, не исключено, что к снижению спроса.

Kioxia объявила о начале поставок образцов чипов памяти 3D QLC NAND, построенных на 2-терабитных кристаллах BiCS 8-го поколения. Производитель уверяет, что эти кристаллы предлагают самую высокую ёмкость в отрасли, способствуя росту в различных прикладных сегментах, включая ИИ.

Источник изображения: kioxia.com

Технология BiCS, так в Kioxia называют чипы 3D NAND, помогла Kioxia добиться вертикального и горизонтального масштабирования кристаллов памяти, подчеркнул производитель. Также в новинках использовано решение CBA (CMOS direct Bonded to Array), которое помогло поднять скорость интерфейса до 3,6 Гбит/с.

Представленные микросхемы на 2-Тбит кристаллах с четырёхбитовыми ячейками (QLC) предлагает плотность хранения информации в 2,3 раза выше, а эффективность записи — на 70 % выше по сравнению с актуальными компонентами пятого поколения от Kioxia. Образец микросхемы имеет габариты 11,5 × 13,5 × 1,5 мм — в её корпусе уместились 16 кристаллов, обеспечив суммарную ёмкость в 4 Тбайт.

В дополнение к памяти QLC на кристаллах объёмом 2 Тбит Kioxia представила обновлённый вариант QLC-кристаллов на 1 Тбит: по сравнению с первым, который «оптимизирован по ёмкости», второй «оптимизирован по скорости» — он предлагает увеличенную на 30 % скорость последовательной записи и сниженную на 15 % задержку при чтении. Обновлённые кристаллы QLC на 1 Тбит будут использоваться в высокопроизводительной продукции, включая потребительские SSD и накопители для мобильных устройств.

Компания TeamGroup представила серию твердотельных накопителей MP44Q M.2 PCIe 4.0 на основе чипов флеш-памяти 3D QLC NAND. В состав серии вошли модели SSD объёмом 1, 2 и 4 Тбайт.

Источник изображений: TeamGroup

Компания не уточняет, какой контроллер используется в новинках. Для модели MP44Q M.2 PCIe 4.0 объёмом 1 Тбайт производитель заявляет скорость последовательного чтения и записи до 7400 и 6200 Мбайт/с. В свою очередь, для версий объёмом 2 и 4 Тбайт указываются показатели до 7400 и 6500 Мбайт/с. Производитель отмечает, что в накопителях используется кеш-память SLC.

За охлаждение компонентов SSD отвечает тонкий графеновый радиатор.

Заявленный ресурс у модели объёмом 1 Тбайт составляет 512 TBW (терабайт перезаписанной информации). Для модели объёмом 2 Тбайт указывается ресурс 1024 TBW, а для версии SSD на 4 Тбайт — 2048 TBW. На все новинки предоставляется пятилетняя гарантия производителя или 1,6 млн часов работы на отказ.

В продаже серия накопителей TeamGroup MP44Q M.2 PCIe 4.0 появится в мае. Об их стоимости производитель не сообщил.

Компания Micron выпустила твердотельные накопители 2500-й серии, в которых впервые используются чипы флеш-памяти QLC NAND с количеством слоёв более 200. При этом новинки быстрее, чем накопители серии Micron 2550 на базе памяти TLC NAND, хотя исторически TLC-памяти быстрее, чем на QLC.

Источник изображений: Micron

Память QLC в одной ячейке способна хранить четыре бита информации, а TLC — три. Таким образом, в случае с памятью QLC контроллеру SSD приходится согласовывать 16 состояний напряжения QLC на ячейку вместо 8 у TLC. Как результат, операции чтения и записи индивидуальных ячеек у памяти QLC медленнее, чем у TLC. Повысить скорость накопителей на базе QLC-памяти можно через программную составляющую SSD-контроллера, а также с помощью кеш-памяти SLC (один бит на ячейку) и параллельного доступа к данным.

В составе серии накопителей Micron 2500 используются 232-слойные чипы флеш-памяти QLC NAND со скоростью ввода-вывода 2400 МТ/с на контакт, что на 50 % больше, чем у 176-слойных QLC-чипов. Они также обладают почти на 30 % большей плотностью по сравнению с 176-слойной QLC-памятью в составе накопителей Micron 2400 и на 31 % больше плотностью по сравнению с 232-слойными чипами флеш-памяти TLC NAND, которые используются в серии SSD Micron 2550.

Накопители Micron 2500 до 24 % быстрее в операциях чтения и до 31 % в операциях записи, чем накопители Micron 2450 на 176-слойных чипах памяти TLC. Ниже представлена сравнительная таблица с моделями SSD от Micron на основе флеш-памяти TLC и QLC.

Источник изображения: Blocks and Files

Для новой серии SSD Micron 2500 заявляется скорость в операциях последовательного чтения и записи до 7,1 Гбайт/с и до 6 Гбайт/с соответственно. Производительность в операциях случайного чтения и записи у новинок составляет до 1 млн IOPS, что практически сопоставимо с показателями серии SSD Micron 3500 на базе 232-слойных чипов памяти TLC NAND. При этом по скорости последовательного чтения новинки оказываются даже быстрее. По словам производителя, серия накопителей 2500 на чипах QLC обеспечила в бенчмарке PC Mark10 результат до 45 % выше по сравнению с тремя конкурентами с памятью TLC.

Накопители Micron 2500 будут выпускаться в трёх форматах NVMe M.2: малом (22 × 30 мм), среднем (22 × 42 мм) и большом (22 × 80 мм). Новинки соответствуют стандарту PCIe 4.0 и используют протокол NVMe 1.4. Для SSD Micron 2500 заявляется используется технология буфера HMB. Другими словами, они не имеют собственного буфера памяти DRAM и используют для этих целей часть системной памяти DRAM.

Новинки будут выпускаться в объёмах 512 Гбайт, 1 и 2 Тбайт. Для младшей модели заявлен ресурс в 200 TBW (терабайт перезаписанной информации), для двух других — 300 и 600 TBW соответственно. На все модели предоставляется пять лет гарантии или 2 млн часов работы на отказ.

Эволюция флеш-памяти с точки зрения плотности хранения информации подразумевает, что чем больше зарядов (бит) хранятся в ячейке, тем ниже эксплуатационный ресурс такой памяти. Китайская компания YMTC не согласна с этим и утверждает, что её микросхемы 3D NAND типа QLC по своей долговечности способны превосходить ячейки памяти типа TLC.

Источник изображения: YMTC

Память QLC в одной ячейке способна хранить четыре бита информации, а TLC — только три, и исторически считалось, что последняя выигрывает с точки зрения своей долговечности по количеству циклов перезаписи. По информации ресурса ITHome, на которую ссылается Tom’s Hardware, компания YMTC заявляет для своих 128-слойных микросхем X3-6070 типа 3D QLC NAND ресурс в 4000 циклов перезаписи. Это как минимум сопоставимо с ресурсом микросхем TLC, достигаемым за счёт оптимизации на уровне контроллеров и применяемых при производстве памяти материалов.

Изначально было принято считать, что память типа QLC способна переносить от 100 до 1000 циклов перезаписи, но и здесь усилия крупных производителей привели к тому, что этот показатель заметно увеличился. YMTC сочла нужным акцентировать внимание на своих достижениях в этой области, хотя очевидно, что они не столь уж уникальны. Память YMTC данной серии уступает конкурирующим решениям по количеству слоёв, поскольку соперники предлагают 176-слойные и более продвинутые микросхемы QLC.

В составе твердотельного накопителя PC41Q потребительского класса YMTC использует 128-слойную память QLC серии X3-6070, предлагая скорости передачи информации до 5000 Мбайт/с и способность хранить информацию при температуре 30 градусов Цельсия на протяжении не менее чем одного года. Время наработки на отказ составит 2 млн часов. Данные показатели отстают от показателей современных SSD на памяти TLC. Тем не менее, компания YMTC даже готова использовать микросхемы QLC в твердотельных накопителях корпоративного класса, где важна надёжность и долговечность.

Обновлено: стоит отметить, что память TLC демонстрировала ресурс в 3000 циклов перезаписи ещё в 2018 году, а к настоящему моменту производители смогли добиться от неё значительно более высокой выносливости, вплоть до 10 тыс. циклов перезаписи.

Western Digital представила твердотельные накопители PC SN5000S на базе чипов флеш-памяти QLC, которые демонстрируют более высокую производительность по показателям скорости чтения и записи, чем предшественники на базе заведомо более скоростной памяти TLC.

Источник изображений: Western Digital

PC SN5000S — новейшая серия потребительских твердотельных накопителей объёмом до 2 Тбайт, выпускающихся компанией в полноразмерном формате M.2 2280 и компактном формате M.2 2230. Серия пришла на замену накопителям PC SN740, предлагающимся в тех же объёмах и разъёмах.

Модель Western Digital PC SN5000S объёмом 2 Тбайт с памятью QLC по скорости записи до 16,5 %, а по скорости чтения до 15,5 % быстрее по сравнению с моделью SN740 того же объёма, но с памятью TLC. Модель SN740 объёмом 1 Тбайт по-прежнему чуть быстрее по записи, чем SN5000S, но по скорости чтения отстаёт от новинки на 14,3 %. Преимуществом накопителя SN5000S объёмом 2 Тбайт над предшественником также является на 100 TBW (терабайт перезаписанной информации) более высокий запас ресурса работы. Однако ресурс нового SSD объёмом 1 Тбайт на 100 TBW ниже (300 TBW против 400 TBW у SN740 того же объёма). Недостатком новой серии SSD также можно считать чуть более высокий показатель энергопотребления.

Источник изображения: Tom's Hardware

Как правило, накопители на базе флеш-памяти NAND QLC отстают от SSD на базе других типов флеш-памяти. Объясняется это тем, что память QLC хранит четыре бита информации в одной ячейке, что сказывается на итоговой производительности не в лучшую сторону. Напомним, что флеш-память SLC хранит один бит информации на ячейку, MLC-память — два бита информации, а TLC — три бита. Чем меньше битов хранится в ячейке, тем она быстрее и долговечнее. Хотя возможность хранения большего количества битов на ячейку увеличивает плотность памяти, необходимость чтения и записи большего количества битов приводит к снижению производительности и в целом повышает износ памяти NAND.

Для улучшения производительности накопителей на базе памяти QLC и других многоразрядных типов памяти NAND существует несколько способов. Пожалуй, самым очевидным является использование кеш-памяти SLC в составе накопителя. Хотя QLC, как уже говорилось выше, хранит четыре бита информации в ячейке, накопителю при наличии кеш-памяти SLC необязательно заполнять все четыре бита информации при записи. SSD будут работать гораздо лучше, если обозначить часть ячеек памяти в качестве псевдо-SLC. Правда, для этого занимаются пустые ячейки, что в конечном итоге сокращает доступный объём самого SSD.

Несмотря на недостатки памяти QLC и других многоразрядных типов флеш-памяти NAND некоторые производители, например, Samsung, заинтересованы в дальнейшем развитии этой технологии. Так как обычным потребителям не всегда нужна лучшая производительность и надёжность, а при выборе SSD предпочтение чаще отдаётся исходя из цены и объёма накопителя, модели SSD на базе памяти QLC обычно являются наиболее экономичным выбором покупателя. В свою очередь, накопители на памяти SLC с низкой плотностью лучше подходят для серверов, где высокая производительность и надёжность оказываются гораздо полезнее.

Помимо рассказа о чипах памяти GDDR7 со скоростью 37 Гбит/с на контакт компания Samsung Electronics на конференции 2024 IEEE-SSCC в феврале также раскроет подробности и о других инновационных продуктах в области разработки микросхем памяти. Например, компания расскажет о будущих 280-слойных чипах флеш-памяти 3D QLC NAND объёмом 1 Тбит. В перспективе они будут использоваться в потребительских твердотельных накопителях и смартфонах.

Источник изображения: TechPowerUp

Указанные чипы флеш-памяти Samsung предложат плотность 28,5 Гбит/мм² и скорость 3,2 Гбайт/с. Для сравнения, текущие самые быстрые чипы флеш-памяти 3D NAND, использующиеся в самых передовых NVMe-накопителях, обеспечивают скорость передачи данных до 2,4 Гбайт/с.

Samsung также расскажет на мероприятии о новом поколении чипов памяти DDR5 стандарта DDR5-8000 с ёмкостью 32 Гбит (4 Гбайт). В этих микросхемах используется симметричная мозаичная архитектура ячеек памяти. Сами чипы будут производиться с использованием 5-го поколения техпроцесса Samsung 10-нм класса.

На основе таких микросхем производители модулей оперативной памяти смогут в перспективе выпускать одноранговые планки памяти DDR5-8000 объём 32 и 48 Гбайт или двухранговые модули памяти объёмом 64 или 96 Гбайт.