Прошлый год в истории SSD оказался самым интересным с тех пор, когда эти устройства пошли в массовое потребление. Увеличилась конкуренция и уменьшились цены. Существующие технологии, типа 3D NAND и NVMe, выдали свой полный потенциал, а новые технологи, типа QLC NAND, взяли неплохой старт.

3D NAND показывают всё, на что способны, с 64-мя слоями

2018 стал первым полным годом, когда основные производители NAND флэш-памяти массово изготавливали 3D NAND с 64-мя слоями или более. 64-слойные 3D TLC, которые производят совместно Intel/Micron и Toshiba/SanDisk/Western Digital, хорошо показали себя в конкурентной борьбе с памятью от Samsung, что впервые уравняло шансы крупнейших поставщиков.

Intel и Micron вторыми после Samsung стали выпускать 3D NAND, но их первое 32-слойное поколение было очевидно медленным и явно не было готово бросить вызов V-NAND от Samsung, хотя оно было достаточно хорошим, чтобы его можно было производить массово. А вот второе поколение уже не просто удвоило количество слоёв: быстродействие и энергоэффективность серьёзно увеличились.

Тем временем Toshiba и Western Digital/SanDisk не выпускали продукцию на основе первого поколения 3D NAND, а второе поколение выпустили в виде нишевого продукта. А вот третье поколение 64-слойного BiCS 3D NAND подготовилось к схватке. SK Hynix пыталась обгонять остальной рынок по количеству слоёв (сейчас у них 72), но этого оказалось недостаточно, и их NAND редко используется в SSD, кроме их собственных моделей. Его легче найти в картах памяти, USB-флэшках и смартфонах.

Благодаря активному производству и серьёзной конкуренции цены на NAND в 2018 начали падать. Ожидается их дальнейшее падение в начале 2019 года, даже несмотря на планы производителей по замедлению выпуска или остановке его расширения. Все современные готовые схемы накопителей от производителей SSD-контроллеров рассчитаны на 3D NAND и переход от плоской NAND уже завершён во всех продуктовых сегментах и у всех брендов.

В среднем цены на SSD падали быстрее, чем за любой из предыдущих годов, а все увеличения цен, вызванные нехватками в период перехода на 3D NAND, уже исчезли. SATA SSD начального уровня без DRAM стоит уже от $20 за 120 Гб, а накопители объёмом в 1 Тб уже приближаются к $100. SATA накопители для массового использования от популярных брендов идут дороже всего на 30–40%, что означает, что рубеж 10 центов за 1 Гб они пройдут в 2019-м. Понижение цен означает увеличение вариантов потребительских SSD объёмом в 2 Тб, даже до широкого распространения технологии QLC NAND. Пока что Samsung только начинает пытаться продавать свои SSD на 4 Тб на потребительском рынке, но в 2019-м ситуация должна будет поменяться.

NVMe перестало быть полем игры только для Samsung

В 2018-м значительно вырос потребительский рынок NVMe SSD, чему поспособствовал выход нескольких новых контроллеров, бросивших вызов доминированию Samsung в этой области. Western Digital представила свой первый собственный контроллер со вторым поколением WD Black и его OEM-копиями. Вместе с переходом от плоской 15 нм TLC к 64-слойному 3D TLC, WD Black выдала наиболее значительные улучшения из всех, что мы видели в продуктовой линейке SSd. Однако это не стало крупнейшим потрясением рынка. Silicon Motion и Phison выдали новые поколения NVMe контроллеров, и их флагманские чипы тоже способны бросить вызов контроллерам от Samsung. Впервые SSD-бренды, использовавшие готовые схемы накопителей, смогли соревноваться на этом рынке, и такие накопители, как HP EX920 и ADATA SX8200 стали лучшим вариантом для потребительских запросов высокого уровня. Осталось очень немного брендов, не предлагающих для них конкурента.

Новое поколение контроллеров NVMe SSD также предлагает более широкий спектр опций NVMe SSD начального уровня, включая DRAMless NVMe накопители, использующие опцию NVMe Host Memory Buffer, помогающую избегать самых худших последствий схемы DRAMless. Однако NVMe SSD начального уровня всё ещё сильно дороже распространённых SATA SSD, а NVMe SSD высшего класса не особенно дороже обычных, поэтому этот сегмент пока не имеет особой ценности. Возможно, частично это происходит из-за скорости падения цен на рынке SSD: более популярные NVMe накопители высокого класса дешевеют быстрее, чем NVMe начального уровня, поэтому эти сегменты пересекаются по ценам сильнее, чем в случае, если бы цены были более стабильны.

Потребительские NVMe SSD высокого класса обеспечивают последовательную скорость чтения свыше 3 Гб/с, так что мы приближаемся к ограничениям по скорости PCIe 3 x4. PCIe 4.0 ещё далеко от выхода на потребительский рынок, поэтому нас может ожидать период из года-двух, когда рынок NVMe будет таким же малоподвижным, как рынок SATA. Однако NVMe SSD ещё есть куда стремиться в плане случайного IO и энергоэффективности (которая обычно не дотягивает до показателей SATA SSD).

Прибытие QLC NAND

После нескольких лет болтовни, в 2018-м флэш-память QLC NAND, наконец, вышла на рынок. QLC NAND хранит по четыре бита на ячейку памяти вместо трёх битов у TLC NAND, что даёт неплохой прирост к плотности хранения и уменьшает стоимость единицы объёма памяти. Сложность в различии 16-и разных уровней напряжения в одной ячейке памяти приводит к серьёзным недостаткам в быстродействии и выносливости на запись, но они уже не настолько плохие, какими были несколько лет назад: большая часть QLC SSD гарантирует порядка 0,1 записей диска в день в течение пяти лет [Drive Writes Per Day, DWPD – мера выносливости SSD; это допустимое количество циклов перезаписи всего диска в сутки на протяжении гарантийного периода / прим. перев.] – это в три раза меньше, чем у сегодняшних недорогих TLC SSD. И этого уже достаточно для использования QLC NAND в качестве накопителя общего назначения, не пытаясь использовать его как накопитель класса «одна запись много чтений» [write-once, read-many, WORM] при помощи специального софта и файловых систем.

Intel и Micron первыми объявили о выпуске QLC NAND SSD, начав с Micron 5210 ION SATA SSD. Обе компании выпустили пользовательские NVMe SSD с QLC NAND осенью, используя контроллер начального уровня SM2263 от Silicon Motion. Первым NVMe SSD от Intel также был QLC накопитель. Первым продуктом QLC NAND от Samsung был потребительский 860 QVO SATA SSD. Toshiba и Western Digital (SanDisk) пока не объявляли о выпуске QLC SSD, и, скорее всего, ждут второго поколения QLC на основе 96-слойной 3D NAND.

На рынке профессиональных накопителей роль QLC NAND ясна: убить жёсткие диски с частотой вращения 10 К RPM и начать конкурировать с дисками на 7200 RPM. На потребительском рынке ситуация более запутанная. С большим кэшем SLC такие QLC SSD с NVMe, как Intel 660p и Crucial P1 могут предложить большую скорость, но с некоторыми оговорками. Но QLC могут стать более популярными на рынке SATA SSD в качестве альтернативы для DRAMless TLC SSD в своём стремлении к цели стоить по 10 центов за Гб.

QLC NAND пока находится в зародыше, и её рост будет одной из главных тенденций 2019 года. Пока что не похоже, чтобы QLC NAND смогла сильно повлиять на продажи TLC NAND в ближайшем будущем; скорее всего, она просто будет вносить лепту в рост рынка SSD. Есть ещё сомнения по поводу того, стоит ли QLC того, чтобы бороться с её проблемами, особенно с учётом того, что стоимость гигабайта QLC NAND практически не отличается от стоимости для TLC NAND.

Новые форм-факторы для профессиональных SSD

Несколько крупнейших игроков на рынке SSD участвуют в войне форматов, касающейся будущей формы SSD в дата-центрах. M.2 SSD оказались слишком мелкими и ограниченными в возможностях из-за питания в 3,3 В и отсутствия возможности горячей замены. 2,5" U.2 SSD можно менять на лету, но тяжело охлаждать, особенно при использовании парных плат для увеличения объёма накопителей с десятками NAND чипов. В первом раунде новых предложений Intel Ruler и Samsung NF1. Схема Ruler стандартизирована в EDSFF, но расползлась на огромное количество вариантов. NF1 не использует пока ни одна организация, занимающаяся стандартами, и этот вариант уже навлёк на себя гнев PCI SIG из-за повторного использования коннектора M.2, конфликтующего с её планами на M.2, однако Samsung уже договорилась c несколькими партнёрами, разрабатывающими NF1 SSD или корпуса для них.

Пока что исход войны форматов не ясен, но многие компании это не останавливает, и они двигают вперёд свои разработки и внедрение. Эти новые форм-факторы, вероятно, никогда не появятся на потребительском рынке, а их ранними пользователями будут крупные компании, не зависящие от рыночных тенденций, и, благодаря своим объёмам, способные заказывать себе SSD в любом форм-факторе.

Покойся с миром, IM Flash Technologies, 2006–2019

В 2018-м Intel и Micron решили прекратить своё давнее партнёрство по разработке флэш-памяти. IM Flash Technologies (IMFT) была сформирована в 2006-м вскоре после того, как SSD начала набирать популярность, и была одним из основных игроков в течение всей истории рынка. IMFT была вторым поставщиком NAND, выведшим 3D NAND на рынок, а её разработка памяти 3D XPoint подстегнула её конкурентов к выпуску других типов памяти с малой задержкой, включая Samsung Z-NAND и, позднее, Toshiba XL-Flash.

Этот разрыв отношений серьёзно меняет конкурентный ландшафт индустрии твердотельной памяти, но он не произойдёт мгновенно: он пройдёт в несколько фаз. Две компании уже перенесли производство NAND флэш каждая на свои фабрики, однако разработка и исследование по прежнему остаются общим делом, и ведутся в офисе IMFT в городе Лихай шт. Юта. В начале 2018-го Intel и Micron объявили, что начнут вести разработки и исследования раздельно после того, как закончат 96-слойное поколение памяти, которая должна появиться на рынке в 2019-м. Несколько месяцев спустя было объявлено о разделении разработки 3D XPoint, которое произойдёт после окончания разработки второго поколения 3D XPoint в первой половине 2019-го. Micron выкупает долю Intel в фабрике в Лихай, где производят 3D XPoint, поэтому Intel придётся покупать у Micron подложки, до тех пор, пока компания не наладит производство в одной из своих лабораторий.

Разработки новой памяти в Intel и Micron, вероятно, пойдут по очень разным путям. Intel, вероятно, сконцентрируется на накопителях для промышленного использования, и они работают над стратегией, разделяющей продукты между 3D XPoint, обеспечивающей быстродействие, и QLC NAND, обеспечивающей объём. Intel может стать первым производителем NAND, который откажется от TLC, но только, если у неё получится сделать 3D XPoint куда как более доступной, чем первое поколение. Бизнес компании Micron в области NAND гораздо шире: она главный поставщик потребительских и промышленных SSD собственного изготовления, а её NAND используется в продукции других брендов SSD, а также на мобильном, промышленном рынке и рынке встраиваемой электроники. Планы Micron на 3D XPoint пока неизвестны. Они не выпускали продукты с первым поколением 3D XPoint, и в долгосрочной перспективе могут планировать перенести внимание на совершенно другой тип энергонезависимой памяти, которого больше ни у кого не будет.

Новый конкурент на горизонте: Yangtze Memory Technologies Co.

У китайского холдинга Цинхуа есть дочерняя компания Yangtze Memory Technologies Co. (YMTC), пытающаяся пробиться на рынок 3D NAND. Поскольку она припозднилась, её план развития серьёзно отстаёт от конкурентов, и ей нужно очень быстро пройти несколько технологических этапов, чтобы нагнать тех, кто впереди. В 2017-м они разработали 32-слойную 3D NAND, а сейчас работают над 64-слойной 3D NAND, которая должна появиться на рынке в 2019-м. После этого они хотят перепрыгнуть 96 слоёв и сразу выйти на 128 в 2020-м, чтобы нагнать более старых игроков. Ключевое отличие NAND от YMTC состоит в новом методе производства, который компания назвала Xtacking: вместо того, чтобы располагать периферийные вспомогательные цепи под массивом флэш-памяти (как сначала сделали Intel и Micron, а потом запланировали себе все остальные), YMTC производит две части чипа на отдельных подложках. Она утверждает, что способна объединять законченные периферийную подложку и подложку с массивом на одном производственном шаге. Её первая 64-слойная 3D NAND является первой демонстрацией технологии.

Кроме того, что такой процесс позволяет делать матрицу небольшого размера, он даст YMTC ещё несколько преимуществ, которые позволят компании догнать конкурентов. Изготавливая периферию и массив памяти отдельно, YMTC может разделить разработку двух этих схем и продвигаться быстрее. Также периферийные цепи можно изготавливать при помощи традиционного логического процесса вместо процесса изготовления памяти – в данный момент они используют хорошо развитый и потому дешёвый логический процесс на 180 нм. YMTC планирует сделать главной особенностью своей памяти чрезвычайно большую IO-скорость, используя по нескольку плоскостей на одну матрицу. Она надеется достичь скоростей в 3 Гб/с с одной матрицы, пока другие игроки на рынке только начинают преодолевать планку в 1 Гб/с.

Автор: Вячеслав Голованов