SSD revoluce: Záhuba magnetických disků

Jednou za rok se nejdůležitější osobnosti flashového průmyslu sejdou v sluncem prozářeném kalifornském městě Santa Clara a na místním výstavišti Convention Center zasednou na jednání Flash Memory Summit. Na této akci bývají k vidění nejnovější inovace v oblasti flashových technologií. Kromě stále větších a rychlejších SSD disků se vše točí okolo nových flashových buněk a paměťových čipů a řadičů. V rámci letošního ročníku se čtyři nejdůležitější světoví výrobci flashových pamětí, tedy Samsung, IMFT (Intel/Micron), Flash Forward (Toshiba/Western Digital) a Hynix, zaměřili hlavně na zvyšování datové hustoty SSD disků.

Trend neustálého zvyšování kapacity SSD disků započal před několika lety přechodem na technologii 3D NAND buněk. Před tímto vynálezem bývaly buňky umístěné vedle sebe do jedné roviny, takže další zvyšování kapacity paměťových čipů naráželo na fyzický nedostatek prostoru čipů standardizované velikosti. Paměťové 3D flashové buňky jsou ale vrstveny i na výšku, díky čemuž lze na standardní paměťové čipy umístit několikanásobně víc buněk než v 2D rozložení. Technologie vrstvených 3D paměťových buněk se navíc neustále zlepšuje, takže již dnes existují prototypy SSD disků standardní velikosti, které nabízejí mnohem větší kapacitu než největší klasické HDD disky. Bude-li tento trend pokračovat, do několika let vytlačí SSD disky magnetické rotační bratrance do hlubin zapomnění.

Vývoj magnetických disků ustrnul

Na zmíněném summitu představili výrobci v srpnu 2017 SSD disky s kapacitami v rozmezí od 30 do 50 TB, a Samsung oznámil dokonce SSD disk s kapacitou 128 TB. Maximální kapacita HDD disků se přitom již několik let nezvýšila a i ty nejobjemnější magnetické disky dokážou uložit stále jen relativně nízkých 12 TB. Western Digital sice uvedl na trh 14TB heliem plněný 3,5“ HDD disk Ultrastar Hs14, ale prodává jej pouze do datových center, a nikoliv koncovým zákazníkům. Ještě horší zprávou je, že kromě nárůstu kapacity se v oblasti magnetických disků prakticky zastavil i vývoj. Technologické inovace, jako například před několika lety oznámený systém zápisu HAMR (Heat Assisted Magnetic Recording), který sliboval zdvojnásobení úložné kapacity pevných disků, nejsou stále zralé na příchod na trh. Základ technologie HAMR spočívá ve využití laserového paprsku, který zahřívá kovovou plotnu a umožňuje tak vznik o poznání menších magnetických oddílů než u klasických HDD.

Vývoj flashových úložišť se naopak neustále zrychluje. Jedním z příkladů je další oznámení společnosti Samsung, která na summitu předvedla SSD disk nového formátu NGSFF (Next Generation Small Form Factor) s kapacitou 16 TB. Tato kapacita se vměstná na disk o délce pouhých 10 centimetrů (viz vpravo). Disky s podobnou kapacitou ale v současnosti stojí ohromné peníze a běžní uživatelé si je nemohou dovolit. Jsou určeny hlavně pro využití v datových centrech. Prozatím tedy magnetické disky stále nabízejí lepší poměr ceny za uložený gigabajt.

Výrobci HDD mají problém

Na kalifornském summitu se odborníci dále zabývali otázkou, za jak dlouho můžeme očekávat konec éry magnetických disků. Ten předpovídá i šéf vývoje SSD disků společnosti Micron Currie Munce (viz vpravo). Iluze si nedělají ani dva největší výrobci magnetických disků, společnosti Seagate a Western Digital. Obě firmy se již několik let snaží lépe prosadit na trhu SSD disků, ale zatím se jim to příliš nevede. Konsorcium investorů zakoupilo nedávno ve spolupráci se společnostmi Seagate a Hynix (známý výrobce flashových pamětí) paměťovou divizi Toshiby, což není dobrá zpráva pro Western Digital, který právě s Toshibou dlouhodobě spolupracoval na vývoji nových flashových technologií. Na druhou stranu Western Digital nedávno dokončil akvizici známého výrobce flashových disků a pamětí, společnosti SanDisk.

Seagate seznámil účastníky summitu s analýzou, která ukazuje, že v budoucnu se budou magnetické disky podílet na investicích datových center z pouhých pěti procent. Podle předpovědi analytiků společnosti Gartner budou SSD disky i na výrazně saturovaném trhu osobních počítačů příštích pět let vykazovat pravidelný 20% nárůst. To také znamená, že za stejné situace budou magnetické disky každoročně stejný podíl na trhu ztrácet. Trend přechodu na flashové pevné disky ještě zrychlí v případě, že se vyplní další předpověď, která hovoří i tom, že cena za 1 GB flashového úložiště během příštích pěti až šesti let klesne o 75 procent. Výše zmíněné predikce podporuje nepřímo i Moorův zákon, který tvrdí, že množství tranzistorů (což flashové paměťové buňky v podstatě jsou) se bude neustále zvyšovat při zachování stejné ceny.

Flash ve třetím rozměru

Výraznější následky přechodu na 3D architekturu flashových pamětí se mají dostavit příští rok, prozatím cena SSD disků klesat nezačala. Důvody pro zachování stejných cen vidíme v neutuchající poptávce po SSD discích a faktu, že výrobci flashových pamětí musí přechod na 3D NAND technologii z něčeho financovat. I když výroba SSD disků s 2D buňkami stále ještě v řadě továren běží, z technologického hlediska již tento typ paměťových buněk narazil na své limity.

Překonání technických omezení flashových pamětí

2D flashové buňky se, stejně jako například procesory, skládají z tranzistorů. Paměťová buňka navíc obsahuje paměťovou část, schopnou udržovat elektrony. Této části paměťové buňky se říká plovoucí brána. Úroveň napětí v bráně značí bitový obsah buňky. Zjednodušeně řečeno označuje absence náboje bitovou hodnotu „1“, zatímco přítomnost náboje bitovou hodnotu „0“. Mechanismus ukládání dat do flashových paměťových buněk ale může být i složitější, protože existují i paměťové buňky, které dokážou uložit až čtyři bity (viz str. 66). V současnosti má většina 2D buněk velikost 16 nanometrů a bylo by extrémně drahé a složité je dále miniaturizovat tak, aby se jich na destičku paměťového čipu vešlo víc.

Díky technologii 3D NAND je možné ukládat flashové buňky do více vrstev. To v podstatě znamená konec éry neustálého honu za čím dál složitější a dražší miniaturizací tranzistorů. Pro zvýšení kapacity SSD disků bude do budoucna stačit na sebe naskládat co největší počet vrstev. V první generaci technologie 3D NAND, kterou představil Samsung v roce 2012, měly paměťové čipy 24 vrstev flashových buněk. První funkční SSD disk s 3D NAND technologií obsahoval 32 vrstev a současné SSD moduly jich mají 48. V červenci uvedl Intel na trh disk s modelovým označením 545s, který je prvním SSD s 64 vrstvami. Společnost Samsung plánuje následovat kroky Intelu a v druhé polovině roku přinést na trh vlastní disk s 64 vrstvami flashových buněk. Vrstvení dalších a dalších buněk přináší dramatický nárůst úložné hustoty SSD disků (viz vlevo). Nejmodernější SSD disky složené z 2D buněk dosahují datové hustoty 1 Gb na milimetr čtverečný plochy jejich paměťových čipů. Nejnovější SSD disky 3D NAND technologie oproti tomu na stejné ploše dokážou uložit téměř 4 Gb.

6 Gb na čtverečném milimetru

A vrstev ještě přibude. Příští rok budou běžně k dostání i SSD disky s 96 vrstvami paměťových buněk. Dva největší výrobci flashových pamětí, Samsung a Toshiba, již přechod na novou generaci ohlásili. Při tomto množství vrstev budou paměťové flashové čipy dosahovat datové hustoty na úrovni šesti gigabitů na milimetr čtverečný. Odborníci ale nepředpokládají, že by se tempo navyšování počtu vrstev na křemíkových destičkách paměťových čipů zrychlovalo stejným tempem jako doposud. „Technologická výzva spočívá ve vyřešení způsobu, jakým bude možné do takového množství vrstev vyvrtat identické otvory (do nichž se poté naplní paměťové buňky). Pouze v takovém případě totiž dokážeme zajistit shodný výkon všech buněk,“ vysvětluje Jeff Ohshima, jeden z nejdůležitějších vývojových pracovníků společnosti Toshiba. Na druhou stranu odborníci ze společnosti Lam Research věří, že bude možné vytvořit flashové paměťové čipy s více než 100 vrstvami. Firma Lam Research vyvíjí přístroje určené právě pro tvorbu děr ve flashových waferech.

Výrobci flashových pamětí ale nemusí při tvorbě paměťových 3D NAND bloků řešit pouze technické problémy spojené s přesným vrstvením paměťových buněk nad sebe. Jedním ze způsobů, jak relativně snadno a bez větších nákladů na vývoj dále zvýšit datovou hustotu SSD čipů, je vrstvení celých hotových paměťových bloků nad sebe. Tento přístup zajistí další zvyšování datové hustoty. Již několik let výrobci používají pro propojení jednotlivých vrstev paměťových bloků tzv. wire-bonding technologii (viz vlevo). V současnosti se jejím prostřednictvím standardně propojuje osm až 16 křemíkových destiček.

4 TB na jednom paměťovém čipu

128TB SSD disk, který Samsung oznámil na summitu, se bude pravděpodobně skládat z 32 na sebe navrstvených destiček, což je prozatím rekordní hodnota. S touto technologií by Samsung byl schopen uložit 4 TB dat na plochu srovnatelnou s velikostí lidského nehtu. Rozměry jednotlivých paměťových čipů se v současnosti pohybují od 11 do 20 milimetrů. Při použití technologie wire-bonding se jednotlivé křemíkové destičky propojují se základní deskou integrovaného obvodu prostřednictvím tenkých vodičů umístěných po obvodu čipu. Tato technologie ale má také svá omezení, protože spotřebuje relativně hodně energie a prostoru. Navíc má tendenci způsobovat chyby integrity signálu. Její negativní vliv se lineárně zvyšuje se stoupajícím počtem použitých vrstev.

Z tohoto důvodu se také Toshiba rozhodla přejít na novou technologii propojování vrstev paměťových buněk. Na začátku července tato firma představila první flashové čipy, jejichž 3D NAND vrstvy jsou propojeny pomocí cest vedoucích přímo skrz křemíkovou vrstvu (TSV, Through Silicon Vias). U této technologie Toshiba používá kovové linky o průměru 50 mikrometrů, které přímo prochází jednotlivými vrstvami až k základní desce integrovaného obvodu. Podle Toshiby tento způsob propojení šetří polovinu elektrické energie a zároveň zvyšuje přenosovou rychlost paměťových čipů. V současnosti Toshiba dokáže prostřednictvím technologie TSV propojit osm až 16 vrstev a momentálně pracuje na způsobu, jak propojit 32 vrstev.

Revoluce flashových buněk

Snaha o další zvyšování datové hustoty SSD disků se dnes zaměřuje na vylepšení známého principu, tedy na zvyšování počtu bitů, které je buňka schopna uložit. Donedávna existovaly pouze buňky schopné uložit tři bity, ale v současnosti již existují buňky, které zvládnou uložit bity čtyři. Tato inovace je rovněž spojena s přechodem z 2D NAND buněk na 3D NAND technologii. 3D buňky jsou robustnější a zvládnou uchovat větší množství bitů, aniž by se po několika stovkách zápisů vyčerpaly.

Ukládání více bitů v jedné buňce

Flashové paměťové buňky rozlišují uložené bity pomocí různých úrovní zápisového napětí, přesněji řečeno podle toho, kolik elektronů je uloženo v plovoucí bráně. Problém ale spočívá v tom, že funkčnost plovoucí brány se stále snižuje s tím, jak často se do ní zapisuje. Izolační vrstva umístěná okolo plovoucí brány se totiž s každým zápisem opotřebovává a s tím, jak slábne, pomalu ztrácí schopnost spolehlivě udržovat zachycené elektrony.

V případě, kdy paměťová buňka uchovává pouze jeden bit, to nepředstavuje větší problém, protože tento typ buněk rozeznává pouze dva stavy pro hodnoty „0“ a „1“. Tento typ buněk se označuje jako Single Level Cell (SLC) a jejich životnost se pohybuje okolo 100 000 zápisových operací. Pro dosažení vyšší datové hustoty, a tedy i celkové kapacity SSD disku, dávají výrobci přednost buňkám typu TLC (Tripple Level Cell). Tyto flashové buňky dokážou uložit tři bity, ale musí kvůli tomu dokázat bezpečně rozpoznat osm úrovní napětí (viz vpravo). V porovnání s 2D buňkami mají ale TLC buňky výrazně kratší životnost na úrovni 1 000 zápisů. Kratší životnost tohoto typu buněk je částečně způsobena i tím, že výrobci pro dosažení vyšší datové hustoty vyvíjeli neustále menší paměťové buňky. Proces miniaturizace, který dnes dosáhl úrovně 16 nm, s sebou logicky přináší i zmenšování plovoucí brány, která dokáže do okamžiku vyčerpání absorbovat menší počet elektronů. Stejně tak se k sobě přibližují i jednotlivé rozpoznatelné úrovně napětí, což ve výsledku vede ke zvyšování provozní chybovosti.

Čtyřúrovňové buňky ve 3D prostředí

Zde se dostáváme k největší výhodě 3D flashových buněk. 3D NAND buňky jsou o mnoho větší než 2D buňky a mají průměr mezi 50 až 70 nanometry. To znamená, že dokážou absorbovat mnohem větší množství elektronů, a mají tedy o poznání delší životnost. Samsung tvrdí, že jeho nejnovější 3D NAND buňky se 64 vrstvami dokážou přežít až 7 000 zápisových operací. Toshiba je prvním výrobcem flashových pamětí, který posunul vývoj těchto buněk na vyšší úroveň. Tato společnost představila paměťové čipy typu 3D NAND se čtyřvrstevnými buňkami typu QLC (Quad Level Cells), které dokážou rozpoznat 16 úrovní napětí a uložit čtyři bity informací. Podle Toshiby přežijí tyto paměťové buňky až 1 000 zápisových cyklů, což při vysoké kapacitě disku vystačí na dlouhá léta běžného domácího využití.

Samsung a Micron plánují uvést na trh QLC SSD disky během roku 2018 a hodlají při tom použít paměťové buňky s 96 vrstvami. Jedna věc je jasná. I když je vývoj SSD disků a paměťových flashových buněk poháněn hlavně serverovým využitím, můžeme počítat s tím, že se tyto technologie rychle dostanou i do produktů určených pro běžné uživatele. TSV čipy mohou představovat výjimku, protože jejich výroba je značně nákladná, a v současné situaci přináší tento drahý výrobní proces finanční výhodu pouze pro využití v datových centrech, vyžadujících rychlé a prostorné SSD disky. Všechny výše zmíněné argumenty ale logicky neznamenají, že se klasické magnetické disky nebudou dále vyvíjet a prodávat. Současný hlad po kapacitě úložišť totiž dnešní omezená výrobní kapacita SSD disků nedokáže uspokojit. To se týká hlavně poskytovatelů ohromných cloudových úložišť. Domácí uživatelé, kterým na notebooku nebo stolním počítači stačí úložiště s kapacitou okolo čtyř až osmi gigabajtů, se ale mohou pomalu se svými magnetickými disky začít loučit.

***

Vyšší datová hustota 3D pamětí Porovnání jednotlivých typů flashových buněk od Samsungu ukazuje, jak přechod na 3D NAND technologii zvýšil datovou hustotu paměťových čipů. 3D paměti s 96 vrstvami buněk se mají na trhu objevit koncem roku 2018.

Typ úložiště Datová hustota (Gb/mm2) Příklad SSD Představen
2D-Flash (16 nm TLC) 1,11 Samsung 750 Evo duben 2016
3D-Flash 32 vrstev 1,86 Samsung 850 Evo prosinec 2014
3D-Flash 48 vrstev 2,56 Samsung 850 Pro březen 2016
3D-Flash 64 vrstev 3,97 Samsung 97x/98x leden 2018 (předpoklad)

Foto popis| Prodeje magnetických disků padají Údaje od společnosti Western Digital ukazují viditelný pokles prodeje notebookových i desktopových magnetických disků.
Foto autor| Zdroj: WDC

Foto popis| Výhoda SSD: Větší kapacita v menším balení Z hlediska datové hustoty nedokážou magnetické HDD konkurovat SSD diskům: 3,5“ pevný disk Western Digital Gold 1 pojme 12 TB dat. První NGSFF SSD od Samsungu 2 dokáže na mnohem menší ploše uchovat až 16 TB dat.
Foto popis| „Naše nové flashové paměti promění magnetické disky v bezvýznamnou komponentu.“ Currie Munce viceprezident vývoje SSD technologií, Micron Technology
Foto popis| Intel 545s je prvním 3D NAND SSD diskem osazeným čipy s 64 vrstvami paměťových buněk. Předchozí modely používaly maximálně 48 vrstev.
Foto popis| Vrstvení flashových buněk Fotografie 1 ukazuje vnitřní strukturu 3D NAND čipu. Jsou na ní patrné jednotlivé vrstvy paměťových buněk.
Foto autor| Zdroj: Techinsights

Foto popis| Skládání vrstvených čipů Datovou hustotu SSD disků lze zvýšit skládáním paměťových 3D NAND čipů nad sebe a jejich propojením prostřednictvím externích datových linek (např. pomocí technologie wire-bonding 2 ). Metoda propojení TSV je efektivnější, protože spojení jednotlivých vrstev prochází přímo 3D NAND vrstvami 3 .
Foto popis| Ukládání více bitů v jedné buňce Množství bitů uložených v jedné paměťové buňce je dáno úrovní napětí a množstvím elektronů zachycených v plovoucí bráně. Čím víc bitů ale buňka obsahuje, tím je náchylnější k chybám, takže čtení vyžaduje pokročilou techniku kontroly. Proto prozatím existuje jen málo QLC disků.
Foto popis| 3D buňky s delší životností Přechod na technologii 3D NAND rovněž přinesl robustnější paměťové buňky s prodlouženou životností. Díky tomu bude možné nakonec přivést technologii QLC buněk do běžných koncových zařízení.
Foto popis| Toshiba již dnes vyrábí flashové paměťové 3D NAND čipy s technologií QLC. První SSD disky přijdou na trh příští rok.
Foto autor| Zdroj: Toshiba

O autorovi| MARKUS MANDAU, autor@chip.cz