Твердотельные накопители станут еще более емкими и дешевыми. Компании Intel и Micron анонсировали начало производства первых микросхем флеш-памяти Quad-Level Cell, емкость которых по сравнению с существующими сегодня технологиями вырастет на треть.

Технология QLC позволяет хранить в ячейке NAND четыре бита, превосходя в этом смысле популярные сегодня микросхемы TLC (Triple-Level Cell) NAND.

По мере увеличения спроса на все более емкие устройства производители твердотельных накопителей предпринимают попытки интеграции в свои продукты дополнительных слоев, которые помогли бы удовлетворить существующие потребности. Микросхемы QLC станут самыми емкими и позволят хранить на одном кристалле 1 терабит данных.

Емкость SSD постепенно растет. В первых твердотельных накопителях использовались ячейки Single-Level Cell, хранившие один бит данных. Затем появились технологии Multi-Level Cell и Triple-Level Cell, обеспечивающие хранение соответственно двух и трех битов в одной ячейке. С появлением QLC производители флеш-памяти выходят на новый этап развития.

«Представляя технологию NAND с четырьмя битами в ячейке, мы увеличиваем плотность размещения данных на треть по сравнению с TLC, что позволяет наладить выпуск первых коммерческих кристаллов емкостью 1 терабит в истории полупроводниковой отрасли, – заявил исполнительный вице-президент компании Micron по технологическим разработкам Скотт де Бур. – Технологические инновации позволили нам создать 96-слойную структуру и размещать еще больше данных в меньшем пространстве, что открывает новые возможности в части рабочей нагрузки и проектирования приложений».

Корпорация Intel, ведущая совместные с Micron исследования, также заявила о достигнутом технологическом прогрессе.

«Коммерческое использование ячеек, позволяющих хранить четыре бита данных, открыло путь к появлению микросхем емкостью 1 Тбит, ставших новой важной вехой в истории развития энергонезависимой памяти, – указал вице-президент Intel по разработке энергонезависимой памяти Рагупати Гиридхар. – Это создает условия для многочисленных технологических инноваций, расширяющих возможности Floating Gate 3D NAND. Переход к хранению четырех бит в ячейке помогает вывести на новый уровень плотность хранения в независимых ЦОДах и во внутрикорпоративных ИТ-системах, что ведет к дальнейшему снижению затрат».

Помимо прорыва QLC руководство Intel и Micron анонсировало выпуск продуктов 3D NAND третьего поколения с увеличением числа слоев в полтора раза. В обеих компаниях отмечают, что при производстве используется технология CMOS under the Array (CuA), позволяющая уменьшить размеры кристалла и добиться роста производительности. Выпуск 300-миллиметровых подложек для новых микросхем QLC налажен на фабриках Micron в Сингапуре и на производственных предприятиях Intel.

Конкретные сроки начала поставок пока не называются. Цены также не объявлены. Но поскольку микросхемы TLC NAND применяются обычно в бюджетных средствах хранения, есть основания рассчитывать на дальнейшее снижение цен на твердотельные накопители после появления новых продуктов.

Для желающих опробовать новые технологии в действии компания Micron анонсировала первый твердотельный накопитель, адресованный владельцам ЦОДов с поддержкой QLC. Устройства семейства Micron 5210 ION в стандартном корпусе для установки в 2,5-дюймовый отсек оснащаются интерфейсом SATA и имеют емкость от 1,92 Тбайт до 7,68 Тбайт.

Цены на ПК, смартфоны и планшеты продолжают расти. Винить в этом принято высокие цены на электронные компоненты и комплектующие. Дефицит микросхем DRAM, флеш-памяти, аккумуляторных батарей и дисплеев больно ударяет по кошелькам потребителей.

Некоторое облегчение ожидается лишь в следующем году, когда цены на оперативную память DRAM и флеш-память NAND, которая используется в твердотельных накопителях, начнут постепенно снижаться. Впрочем, согласно прогнозам директора Gartner по исследованиям в области электронных компонентов Йона Эренсена, в 2019 году цены упадут очень ощутимо.

Вполне возможно, что этот факт отразится на ценах ПК и мобильных устройств. Однако проецировать конкретное влияние ценовых колебаний памяти NAND и DRAM на стоимость ПК и мобильных устройств и строить точные прогнозы еще слишком рано.

Если цены будут падать, у пользователей по крайней мере появится возможность приобретать компьютерные компоненты в магазинах и собирать ПК самим. Цены же на готовые продукты будут зависеть от того, куда производители ПК повернут экономию, образовавшуюся в результате удешевления электронных компонентов.

Вполне возможно, что цены на ПК и мобильные устройства вновь начнут снижаться, и тогда возродится тенденция, которая продолжалась более десяти лет. Но некоторые поставщики могут предпочесть собственную прибыль, а не экономию их клиентов. Именно так на протяжении всей своей истории поступала компания Apple.

Цены на мобильные устройства и ПК могут сохраняться высокими, но тогда покупатели должны получать больше за свои деньги. В этом случае при той же цене устройства смогут похвастаться большим объемом высокопроизводительной памяти, дополнительной емкостью хранения и экранами с высоким разрешением.

По оценкам Gartner, с середины 2016 года цены на память DRAM для ПК удвоились. Сейчас модуль объемом 4 Гбайт стоит 25 долл., тогда как в середине прошлого года его можно было купить за 12,50 долл. Стоимость твердотельных накопителей в пересчете на гигабайт увеличивается пропорционально ценам на флеш-память NAND. В Gartner полагают, что цены на флеш-память NAND и память DRAM в текущем квартале достигнут своего максимума.

Реагируя на происходящее, в Lenovo пересматривают свои цены на перснальные компьютеры. HP пока цены не повышает, но переходит на выпуск более производительных и дорогих продуктов. «Мы нацелены прежде всего на рост рентабельности, а не объемов», – заявил президент направления персональных систем HP Рон Кофлин.

Чем же обусловлено столь заметное повышение цен? Производители стали оснащать свои устройства более быстрой оперативной памятью и средствами хранения большей емкости, вследствие чего спрос на соответствующие компоненты вырос. В авангарде этого процесса оказалась компания Apple, увеличившая объем оперативной памяти и емкость средств хранения в своих Mac, iPhone и iPad. Ее примеру последовали другие производители. Например, Samsung снабдила новую версию телефона Galaxy S8+ оперативной памятью емкостью 6 Гбайт и памятью хранения объемом 128 Гбайт, и теперь этот телефон по характеристикам вполне сравним с тонкими и легкими ноутбуками.

Приложения виртуальной реальности и игры заставляют поставщиков добавлять в свои устройства все больше памяти и емкости хранения. Из-за резко выросшего спроса на память DRAM и твердотельные накопители устойчивость рынка оказалась нарушена.

«Телефоны, ПК и устройства Интернета вещей генерируют все больше данных, это ведет к увеличению потребностей серверов, на которых хранятся облачные данные, в дополнительной флеш-памяти, – указал Эренсен. – Потребности ЦОД в увеличении объемов оперативной памяти и емкости средств хранения обусловлены также ростом популярности аналитических приложений и систем машинного обучения».

Выросший спрос привел к дефициту оперативной памяти и средств хранения, что позволило производителям и поставщикам поднять цены. Вместе с тем увеличение спроса заставляет компании расширять свои производственные мощности и наращивать объемы выпуска памяти и средств хранения. По прогнозам Gartner, к 2019 году рынок будет насыщен памятью DRAM и флеш-памятью NAND, а цены пойдут вниз.

Такой цикл повторяется примерно через каждые два года. В 2011 году цены на память DRAM стали снижаться в условиях уменьшения спроса на ПК и глобального экономического спада.

По словам Эренсена, растущая активность Китая на рынке электронных компонентов может привести к еще более сильным ценовым колебаниям. В 2014 году в Китае объявили о намерении инвестировать в ближайшие десять лет в отрасль электронных компонентов 150 млрд долл. Если это произойдет, то китайские микросхемы флеш-памяти и памяти DRAM довольно быстро наводнят рынок, а цены пойдут вниз.

«Китай намеревается покорить рынок электронных компонентов в глобальном масштабе», – подчеркнул Эренсен.

На разработку новой по своей сути технологии памяти 3D XPoint, представленной компаниями Intel и Micron, ушло несколько лет. В случае успеха она обещает очень серьезные перемены как в корпоративных ЦОД, так и на потребительском уровне.

3D XPoint выполняет операция чтения и записи данных в тысячу раз быстрее микросхем флеш-памяти NAND, повсеместно применяемых сегодня в разнообразных гаджетах и твердотельных накопителях (Solid State Drive, SSD). Это является огромным шагом вперед по сравнению со всем, что окружало нас ранее, начиная от вращающихся магнитных дисков и заканчивая SSD. «По своей значимости новый прорыв превзойдет тот, что совершили в свое время твердотельные накопители», – указал Роб Крук, старший вице-президент и генеральный менеджер подразделения Intel Non-Volatile Memory Solutions Group. Появление первых таких продуктов ожидается в следующем году.

Вот лишь несколько примеров того, что принесет с собой 3D XPoint: улучшится распознавание речи при разговорах по телефону и распознавание лиц биометрическими средствами безопасности, управление компьютерами при помощи жестов будет выведено на более совершенный уровень, повысится качество перехода между сценами в видеоиграх. Нас ждут серьезные достижения в области Больших Данных при распознавании генных последовательностей в реальном времени и обнаружении мошенничества в финансовой сфере.

В Intel и Micron это называют новым способом удерживания данных, который дополнит возможности флеш-технологий и обычной памяти, откроет путь к созданию новых приложений, которые сегодня трудно себе даже вообразить.

«Многие считали это невозможным и отказывались от попыток двигаться в соответствующем направлении», – заявил Крук. Сотни инженеров работали над проектом, стартовавшим в 2012 году в рамках совместной программы Intel и Micron, рассчитанной на десять лет. О размерах инвестиций в проект стороны предпочитают умалчивать.

«Это было непросто и недешево», – отметил лишь генеральный директор Micron Марк Дуркан.

Разработанная компаниями архитектура «трехмерной шахматной доски» образует решетку, в которой каждая ячейка памяти связана с двумя металлическими линиями — горизонтальной и вертикальной. Это позволяет системе адресовать каждую ячейку, а не стирать и перезаписывать блок целиком, как это происходит при работе NAND. В результате скорость выполнения операций заметно повышается.

Биты в ячейках хранятся не так, как в NAND. Вместо перемещения электронов здесь меняется сопротивление материалов. При этом используется весь материал ячейки, что позволяет увеличить плотность и обеспечивает увеличение масштабируемости 3D XPoint.

«Фундаментальные прорывы, помогающие сократить разрыв между памятью хранения и оперативной памятью, обсуждаются уже на протяжении многих лет, – отметил аналитик Technalysis Боб О'Доннелл. – Можно вспомнить, например, технологию мемристоров, которую компания Hewlett-Packard намеревалась использовать в своей Machine – компьютере, хранящем все данные в энергонезависимой памяти. Недавно в HP объявили о временном отказе от мемристоров, сообщив, что в прототипе 'Машины' будет применяться обычная память DRAM».

«3D XPoint нельзя назвать в полной мере унифицированной памятью, поскольку это означало бы, что она дополнит как NAND, так и DRAM, но Intel и Micron заработали себе очки уже тем, что сумели воплотить свою технологию в реальность», – указал О'Доннелл.

«Потенциал этой технологии трудно переоценить, – заметил аналитик Pund-IT Чарльз Кинг. – Если падение цен на память DRAM сделало возможным появление баз данных, размещаемых в оперативной памяти (таких, как SAP Hana), то 3D XPoint способна обеспечить высокоскоростной доступ к данным на самом широком рынке, включая потребительские системы. А начнется все, вероятно, с игровых компьютеров старшего класса».

Новая память поможет производителям систем построить более быстрые коммуникации между процессором и подсистемой хранения. Для того чтобы в полной мере использовать преимущества флеш-памяти, в Intel предложили технологию NVME (Non-Volatile Memory Express), а 3D XPoint поднимает ставки еще выше. «Это имеет огромную важность для технологии подобного рода», – подчеркнул Крук.

Согласно отчету, который был опубликован компанией DRAMeXchange, в четвертом квартале текущего года на память с трехуровневыми ячейками (Triple-Level Cell, TLC) придется почти половина общего количества выпускаемой флеш-памяти NAND.

Ранее на этом рынке господствовала флеш-память с многоуровневыми ячейками (Multi-Level Cell, MLC), обеспечивающая хранение в каждой ячейке 2 бит данных.

С появлением памяти TLC NAND, превосходящей MLC по плотности размещения данных, сфера применения флеш-технологий от карт памяти и USB-накопителей начала смещаться в сторону хранилищ повышенной емкости, применяемых в мобильных устройствах и портативных компьютерах. Наиболее многообещающей областью применения TLC считаются карты eMMC (Embedded MultiMediaCard) и твердотельные накопители (Solid-State Drive, SSD). Многие производители флеш-памяти в этом году активно наращивают выпуск своей продукции eMMC и SSD.

«Темпы роста выпуска памяти TLC NAND будут увеличиваться и в дальнейшем», – прогнозируют аналитики DRAMeXchange.

Ранее ассистент вице-президента DRAMeXchange Шон Янь утверждал, что флеш-память TLC NAND получила широкое распространение в картах памяти, USB-накопителях и внешних устройствах благодаря снижению издержек. Однако теперь ситуация изменилась.

«Начиная с 2013 года Samsung активно внедряет технологии TLC в устройства eMMC/eCMP и твердотельные накопители клиентского класса, – отметил Янь. – А после того как рыночная ниша Samsung стала быстро расширяться, конкурентам компании также пришлось в срочном порядке заняться разработкой встроенных продуктов на базе TLC».

Доля флеш-памяти TLC NAND в сотовых телефонах, планшетах и других средствах потребительской электроники устойчиво растет благодаря совершенствованию технологии контроллеров микросхем, способствующей повышению производительности памяти NAND и снижению цен на нее.

«Производство памяти TLC обходится примерно на 15-20% дешевле по сравнению с MLC», – говорится в отчете DRAMeXchange.

Прошлый год ознаменовался наиболее серьезным поворотом в развитии флеш-памяти TLC NAND – она появилась в смартфонах iPhone6/6 Plus. С этого момента продукты для мобильных устройств на базе TLC из середняков переместились в верхний сегмент рынка.

Важным примером для производителей ПК стало и решение Apple оснащать продукты Macbook Pro/Air, выпущенные после 2013 года, твердотельными накопителями. Совершенствование микросхем контроллеров позволило решить проблемы TLC, связанные с производительностью и слишком медленной скоростью выполнения операций чтения и записи, что в свою очередь привело к росту популярности устройств SSD, построенных на базе TLC.

Если цены упадут, это отразится на доходах производителей электронных компонентов. По мнению аналитиков Gartner, оборот на этом рынке в 2015 году вырастет на 5,4%, тогда как ранее ожидалось его увеличение на 5,8%. Основной причиной, заставившей компанию пересмотреть ранее озвученный прогноз, стало ожидаемое падение цен на микросхемы DRAM, на которые приходится значительная часть всех продаж отрасли электронных компонентов. Электронные компоненты используются сегодня в компьютерах, мобильных устройствах, автомобилях, медицинской технике, различных машинах и механизмах, телевизорах и другом электронном оборудовании.

Для отрасли микросхем DRAM вообще характерны серьезные ценовые перепады. Циклическое изменение спроса и предложения приводит к резким колебаниям цен. «В прошлом году, например, цены на микросхемы памяти стабилизировались на фоне образовавшегося дефицита, – отметил директор Gartner по исследованиям Джон Эренсен. – В 2014 году выручка производителей микросхем DRAM увеличилась на 31,7%, тогда как в этом году ее рост сократится до 7,7%».

Ранее ведущие поставщики памяти Toshiba и Samsung старались ограничивать предложение микросхем DRAM на фоне снижения поставок ПК. В середине 2013-го года, после того как спрос превысил предложение, цены стабилизировались. Компании сократили поставки микросхем DRAM, увеличивая одновременно производство флеш-памяти NAND по мере роста спроса на компоненты хранения для мобильных устройств.

Однако после начала масштабной модернизации предприятиями своих мобильных и настольных компьютеров поставки ПК также стабилизировались, и потребность в оперативной памяти стала расти. По оценкам аналитиков IDC, глобальные поставки ПК в текущем году сократятся лишь на 3,3% (ранее прогнозировалось более существенное падение продаж), а в 2016-м году – на 1,8%.

Большинство современных ПК оснащается памятью DDR3 DRAM, но в серверы производители все чаще устанавливают память DDR4, которая работает быстрее и отличается более высокой эффективностью энергопотребления. Память DDR4 сейчас стоит дороже, но по мере увеличения спроса и объемов поставок цены будут снижаться. В нынешнем году статус основной памяти для ПК сохранит DDR3, однако в ближайшие годы ее популярность пойдет на убыль.

По информации онлайн-сервиса Dramexchange, отслеживающего цены на память, в настоящее время микросхемы DDR3 емкостью 4 Гбит продаются за 3,10-3,95 долл., а микросхемы DDR3 емкостью 2 Гбит – за 1,75-2,50 долл.

Если продажи микросхем DRAM будут расти не так быстро, как в предыдущие годы, то ситуация с флеш-памятью, используемой в мобильных устройствах и твердотельных накопителях, а также с компонентами Интернета вещей иная. Сегмент Интернета вещей активно развивается и в предстоящие годы будет расширяться. Особенно это касается массового развертывания светодиодных светильников и «умных» лампочек. Выручка отрасли электронных компонентов от продаж промышленной электроники (которая также является составной частью Интернета вещей), по оценкам Gartner, вырастет на 9,1%.

Поставки оборудования для Интернета вещей как в потребительском, так и в промышленном секторе будут увеличиваться благодаря реализации проектов «умных» городов. Это должно способствовать дальнейшему росту доходов предприятий отрасли.

Как и в предыдущие годы, выручка поставщиков электронных компонентов от продажи мобильных устройств будет оставаться на высоком уровне. Особенно это касается беспроводных компонентов.

Модель 850 EVO придет на смену устройству 840 EVO, выпущенному в прошлом году. Если в 840 EVO использовалась двумерная планарная память NAND, то в 850-й версии установлены 32 слоя памяти NAND, общая высота которых составляет 7 мм.

Ожидается, что к 2017 году высота ячеек NAND может достичь уже 100 уровней. В результате емкость одной микросхемы составит 1 Тбит, тогда как при использовании двумерных планарных технологий она на сегодняшний день не превышает 250 Гбит.

В каждом транзисторе накопителя будет храниться 3 бита данных.

«Первоначально мы планировали устанавливать устройство в настольные или портативные компьютеры потребительского класса, но, убедившись в его высокой производительности и надежности, решили предложить накопитель любителям игр и пользователям, выполняющим большое количество операций записи», – отметил старший менеджер Samsung по маркетингу Ричард Нарз.

В Samsung реализовали в устройстве поддержку технологию TurboWrite, благодаря чему скорость выполнения операций записи в произвольные области памяти выросла по сравнению с его предшественником в 1,9 раза.

Согласно спецификациям, скорость произвольного чтения 850 EVO составляет не менее 98 тыс. операций ввода-вывода в секунду, а произвольной записи – 90 тыс. Скорость последовательного чтения при заполнении всего пространства накопителя достигает 540 Мбайт/с, а последовательной записи – 520 Мбайт/с.

Поскольку слои памяти NAND размещаются вертикально, транзисторы в ячейках, хранящих биты данных, расположены не так близко друг к другу, что повышает устойчивость архитектуры.

По словам Нарза, по критерию надежности 850 EVO вдвое превосходит предыдущий накопитель. Кроме того, конструкторам удалось сократить на 30% энергопотребление нового накопителя. Во время выполнения операций чтения устройство потребляет в среднем 3,7 ватта, а при выполнении операций записи – 4,4 ватта. В моменты простоя SSD расходует всего 2 милливатта электроэнергии.

Благодаря более высокой надежности срок гарантии на модель 850 EVO увеличен до пяти лет. У предыдущей модели гарантийный срок ограничивался тремя годами. Накопитель 850 EVO поставляется в версиях емкостью 120 Гбайт, 250 Гбайт, 500 Гбайт и 1 Тбайт. Модель объемом 250 Гбайт рассчитана на запись 40 Гбайт данных ежедневно и 75 Тбайт в течение пяти лет. Модель емкостью 1 Тбайт выдерживает запись до 80 Гбайт в день и до 150 Тбайт на протяжении срока службы, который должен составлять не менее пяти лет.

У предшественника 850 EVO – накопителя 840 EVO – уже вскоре после начала поставок в прошлом году возникли проблемы с производительностью, которые были устранены путем обновления прошивки. Стоимость модели 840 EVO в пересчете на гигабайт опускалась ниже 1 долл. Версия емкостью 1 Тбайт продается в розницу за 599 долл. Новый накопитель 850 EVO будет стоить еще на 100 долл. дешевле.

Модель объемом 120 Гбайт предлагается за 99,99 долл., 250 Гбайт – за 149,99 долл., 500 Гбайт – за 269,99 долл. и 1 Тбайт – за 499,99 долл.

PCIe FlashMAX III — серверная флэш-карта нового поколения, предназначенная для повышения производительности СУБД и других программных систем. Источник: HGST

Массового появления в смартфонах и ЦОД технологий хранения, превосходящих по быстродействию флэш-память NAND, судя по всему, не произойдет в течение еще нескольких лет, однако подготовительные работы к созданию более производительного оборудования ведутся уже сегодня.

На конференции Flash Memory Summit, проходившей в Санта-Кларе, разработчики подразделения Western Digital HGST продемонстрировали самый быстрый в мире на сегодняшний день твердотельный накопитель.

Как и любые другие модели SSD, новый накопитель подключается к интерфейсу PCIe. Но это уже не просто устройство хранения, а платформа для демонстрации возможностей интерфейса с низкой задержкой, который компания создавала с прицелом на перспективные твердотельные разработки. В драйвере Linux на сервере и во встроенном программном обеспечении твердотельного накопителя реализован новый экспериментальный протокол связи.

По словам вице-президента HGST по маркетингу продуктов SSD Ульриха Хансена, в твердотельном накопителе используется память с изменением фазового состояния (phase change memory, PCM) – развивающаяся технология, благодаря которой компьютер сможет обмениваться данными с носителем гораздо быстрее, чем с флэш-памятью NAND. Если память NAND на обработку запроса тратит около 70 микросекунд, то PCM выполняет те же самые действия за 1 микросекунду. Однако пройдет не менее двух-трех лет, прежде чем устройства PCM станут достаточно дешевыми, для того чтобы конкурировать с флэш-памятью.

Есть и еще две технологии, которые претендуют на роль более быстрой и устойчивой альтернативы флэш-памяти. Речь идет о резистивной памяти с произвольным доступом (resistive random-access memory, RRAM) и магниторезистивной оперативной памяти (magnetic RAM, MRAM). При использовании технологий с малым временем задержки, к которым относится и PCM, существующие интерфейсы не дают возможности в полной мере воспользоваться всеми преимуществами производительности. Даже интерфейс NVM, который должен стать стандартом высокоскоростного подключения флэш-памяти, для нового поколения носителей превращается не в ускоритель, а в узкое место.

«Причина выбора нами технологии с изменением фазового состояния заключается в том, что она доступна уже сегодня и обладает всеми необходимыми атрибутами, – указал Хансен. – Вместе с тем, трудно прогнозировать, какая из развивающихся технологий памяти в конечном итоге первой будет реализована в готовых продуктах».

У памяти PCM данные хранятся в стеклоподобных соединениях металлов халькогенидах, которые при подаче напряжения переходят из газового состояния в кристаллическое. Различные состояния вещества (над жидким пока проводятся эксперименты) могут использоваться для представления единиц и нулей в двоичных данных. Задействуя дополнительные состояния, разработчики смогут размещать больше данных в одном и том же пространстве.

«Интерфейс HGST работает поверх стандартного PCIe, через который данные из флэш-памяти переносятся на компьютер (возможностей его должно хватить надолго), – сообщил Хансен. – Высокоуровневый интерфейс определяет порядок передачи и инициирования команд, уведомляя сервер о завершении операций передачи. HGST разрабатывался не для того, чтобы вытеснить NVM, и зайдет ли речь о взаимодействии с другими открытыми стандартами, пока не ясно. Но NVM будет развиваться, не так ли? Поэтому кто знает, чем все это закончится».

На Flash Memory Summit сотрудники HGST представили ускоритель PCIe FlashMAX III, серверную флэш-карту нового поколения для повышения производительности СУБД и других приложений, а также программное обеспечение ServerCache, превращающее любой твердотельный накопитель, подключенный к серверу, в кэш-память. В ServerCache используется технология, полученная HGST после приобретения компании Velobit и позволяющая более эффективно использовать емкость твердотельного накопителя.