Nośniki oparte na pamięci flash. Jak dokonać właściwego wyboru

W tym artykule krótko przyjrzymy się architekturze i konstrukcji pamięci flash i zdecydujemy o wyborze przemysłowego dysku SSD.

Dysk półprzewodnikowy, czyli dysk SSD (Solid State Drive), jest komputerowym, niemechanicznym urządzeniem pamięci masowej, składającym się z układów pamięci i mikrokontrolera.

Pamięć flash (ang. flash memory) jest odmianą technologii półprzewodnikowej przeprogramowalnej elektrycznie pamięci EEPROM (ang. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory — kasowana elektrycznie programowalna pamięć przeznaczona tylko do odczytu).

Architektury NOR i NAND

Istnieją dwie architektury pamięci flash — NOR i NAND różniące się przede wszystkim metodą łączenia komórek pamięci. Każda z nich ma swoje zalety i wady, które określają zakres stosowania każdej technologii.

Pamięć NOR, nazwana tak na cześć specjalnych znaczników danych (Not OR — logiczne nie-lub). Konstrukcja NOR wykorzystuje klasyczną dwuwymiarową macierz przewodników, w której na przecięciu wierszy i kolumn zainstalowana jest jedna komórka.

Dzięki takiemu układowi NOR zapewnia możliwość szybkiego, losowego dostępu do informacji i ma zdolność do zapisywania i odczytu danych w określonym miejscu bez konieczności sekwencyjnego uzyskiwania dostępu do pamięci. W przeciwieństwie do pamięci NAND, pamięć NOR umożliwia dostęp do danych o wielkości do jednego bajtu.

Technologia NOR wygrywa w sytuacjach, w których dane są losowo zapisywane lub odczytywane. Dlatego NOR jest częściej używany jako pamięć programów mikroprocesorowych, na przykład pamięć BIOS komputera osobistego, pamięć do przechowywania małych danych pomocniczych lub pamięć telefonów komórkowych i tabletów do przechowywania systemu operacyjnego.

Pamięć NAND została nazwana tak na cześć specjalnych znaczników danych (Not AND — logiczne nie-oraz). U podstaw znajduje się ta sama matryca, co w NOR, ale zamiast jednej komórki (tranzystora) w każdym skrzyżowaniu ustawiana jest kolumna z sekwencyjnie włączonymi komórkami.

Pamięć NAND zapisuje i odczytuje dane o wysokiej szybkości, w trybie sekwencyjnego odczytu, porządkując dane w małych blokach, stronach. Pamięć NAND może odczytywać i zapisywać informacje strona po stronie, ale w przeciwieństwie do NOR nie może uzyskać dostępu do określonego bajtu.

Cena dysków SSD wykorzystujących architekturę NAND jest mniejsza niż NOR, a układy NAND mają większą gęstość informacji na macierz. NAND architektura jest powszechnie stosowana w SSD, dyskach USB, kartach pamięci, w telefonach komórkowych do przechowywania informacji użytkownika i innych urządzeniach, w których dane są zapisywane sekwencyjnie.

Dla nas najbardziej interesująca jest właśnie architektura NAND stosowana w produkcji większości nowoczesnych dysków SSD.

Druga generacja NAND — 3D NAND

Powodem powstania drugiej generacji NAND było dążenie producentów do obniżenia kosztów produkcji pamięci flash w warunkach, w których proces technologiczny zbliżył się do 10 nanometrów, a dalsza redukcja kryształu w osiach X i Y stała się niemożliwa.

Charakterystyczną cechą nowej architektury NAND jest pionowy układ bloku komórek na krysztale, dzięki czemu dodano kolejną oś — pionową oś Z. Nakładanie komórek dokonuje się w warstwach, w wyniku czego każdy kryształ ma wielowarstwową strukturę 3D.

Taka pionowa struktura zapewniła przełom co do gęstości pamięci flash. Pojawienie się osi pionowej usunęło zależność od innych osi, przez co zniknęła potrzeba zmniejszenia kryształu, a wielu producentów powróciło do procesu technologicznego 30 nanometrów, co ostatecznie doprowadziło do obniżenia kosztów produkcji.

Komórki pamięci

Istnieją urządzenia, w których komórka elementarna przechowuje jeden, dwa, trzy lub cztery bity informacji. Fizycznie wszystkie cztery typy komórek pamięci NAND składają się z tych samych tranzystorów. Różni się tylko ilość ładunku przechowywanego przez komórkę pamięci.

W komórkach jednobitowych rozróżnia się tylko dwa poziomy naładowania na pływającej bramie. Takie komórki nazywane są jednopoziomowymi (single-level cell, SLC). Pamięć SLC ma najwyższą cenę, wysoką wydajność, niskie zużycie energii, największą szybkość zapisu i liczbę cykli Program/Erase.

W komórkach wielobitowych rozróżnia się więcej poziomów naładowania; nazywane są wielopoziomowymi (multi-level cell, MLC). Urządzenia MLC są tańsze i bardziej pojemne niż urządzenia SLC, jednak mają dłuższy czas dostępu i mniej więcej o rząd wielkości mniejszą maksymalną liczbę nadpisań. Zwykle pod pojęciem MLC rozumie się pamięć o 4 poziomach naładowania (2 bity) na każdą komórkę.

Tańszą w przeliczeniu na ilość pamięci o 8 poziomach (3 bity) nazywa się TLC (Triple Level Cell). TLC pozostaje również w tyle za SLC i MLC pod względem szybkości odczytu i zapisu oraz żywotności w cyklach Program/Erase.

Istnieją również urządzenia o 16 poziomach na komórkę (4 bity), QLC (quad-level cell). QLC jest najbardziej przystępnym co do kosztu przechowywania 1 GB danych, zbliżając się pod tym parametrem do tradycyjnych dysków twardych.

Do tej pory pamięć wielopoziomowa dominuje na rynku. Jednak produkty SLC, pomimo wielokrotnie mniejszej pojemności i wysokich kosztów, są nadal opracowywane i produkowane do szczególnie krytycznych zastosowań.

Wybór dysku flash do komputera przemysłowego na przykładzie rozwiązań oferowanych przez firmę Innodisk

Wybór dysku SSD do komputera zależy od kilku czynników. Przede wszystkim są to: wymiary, zakres zastosowania, warunki użytkowania, szybkość i żywotność.

Wymiary

Wybór dowolnego urządzenia pamięci masowej rozpoczyna się od określenia gniazda i złącza, w którym to urządzenie zostanie zainstalowane. Obecnie na rynku dostępnych jest wiele wymiarów i interfejsów do podłączania dysków opartych na pamięci flash. Być może najczęstszym jest wymiar 2.5 cala z interfejsem SATA trzeciej generacji. Złącze SATA 2.5" znajduje się w prawie każdym nowoczesnym komputerze osobistym lub laptopie i jest uniwersalne zarówno do instalacji klasycznego dysku twardego, jak i do instalacji dysku SSD opartego na pamięci flash.

Warunki użytkowania

Komputer przemysłowy różni się od swojego domowego odpowiednika przede wszystkim następującymi cechami: możliwość nieprzerwanej pracy w trybie 24/7/365, odporność na skoki temperatury, wibracje, wstrząsy i dużą wilgotność. Wysokie wymagania stawiane komputerowi przemysłowemu dotyczą wszystkich jego komponentów, w tym urządzeń pamięci masowej.

W zależności od stopnia odporności na wymienione czynniki cena urządzenia opartego na pamięci flash również się różni. Dlatego ważne jest, aby określić, w jakich warunkach będzie używany produkt końcowy i na jakie obciążenia termiczne będzie narażony.

Pomimo tego, że wszystkie produkty firmy Innodisk należą do klasy przemysłowej i mają wiele fizycznych i technologicznych środków ochrony przed czynnikami zewnętrznymi.

Urządzenia oparte na pamięci flash można z grubsza podzielić na dwa duże kierunki:

• Produkty o standardowym zakresie temperaturowym
• Produkty o rozszerzonym zakresie temperaturowym

Żywotność. Szybkość

Jak dowiedzieliśmy się wcześniej, istnieją komórki pamięci flash zdolne do przechowywania poziomów naładowania 2 (SLC), 4 (MLC), 8 (TLC) lub 16 (QLC). W przemysłowej pamięci flash Innodisk używane są tylko pierwsze trzy, wynika to ze zwiększonych wymagań dotyczących niezawodności. Algorytm przetwarzania ładunku, składający się z 16 poziomów, jest zbyt skomplikowany, a w warunkach skoków napięcia i zakłóceń RF, które mogą wystąpić podczas pracy komputera przemysłowego, może to doprowadzić do szybkiego spadku pozostałe żywotności, a w konsekwencji do utraty danych.

Oprócz trzech głównych typów komórek pamięci istnieją komórki MLC segmentu korporacyjnego — eMLC. W firmie Innodisk takie komórki noszą nazwę iSLC i są złotym środkiem między wytrzymałością SLC a bardziej przystępną ceną MLC.

Dyski iSLC wykazują się wydajnością i niezawodnością porównywalną z produktami SLC, ale są zbudowane na sprzęcie MLC pamięci, dzięki czemu są bardziej przystępnymi cenowo rozwiązaniami odpowiednimi dla serwerów i systemów segmentu korporacyjnego.

Podczas korzystania z dysków SSD opartych na technologii iSLC możesz mieć pewność co do stanu nienaruszonego danych — okres obsługi został kilkakrotnie przedłużony w porównaniu ze standardowymi produktami MLC.

Dla jasności można sporządzić tabelę porównawczą komórek pamięci używanych w dyskach flash według stosunku cena / wytrzymałość / szybkość.

Porównajmy cztery dyski SSD wyprodukowane przez Innodisk o wymiarze 2,5" SATA o pojemności 128 gigabajtów, o rozszerzonym zakresie temperaturowym (-40...+85), przeznaczone do systemów wbudowanych.

Wyszczególnienie nazwy SSD firmy Innodisk

Wymiary. Rodzaj pamięci. Seria.

W ofercie głównych producentów przemysłowych rozwiązań opartych na pamięci flash, takich jak firma Innodisk, można znaleźć wiele urządzeń o podobnych parametrach technicznych, należących do różnych serii.

Aby nie zgubić się w takiej obfitości i wybrać dysk pasujący do Twoich zadań, najpierw musisz dowiedzieć się, jakie są dyski SSD i do czego są przeznaczone.

Na przykład przyjrzyjmy się dyskowi SSD 2.5 cala z interfejsem SATA:

Lewa część nazwy (2.5" SATA SSD) to wymiary.
Prawa (3MV2-P) — to seria. Przeanalizujmy to bardziej szczegółowo.
(3) — Generacja: 1, 2, 3.
Może być pierwsza, druga lub trzecia.

(M), oznacza typ pamięci flash NAND: S, M, I, T.

(V) — zakres zastosowania, seria. Rozróżnia się: E, G, R, V, S.

(2) — przemysłowa seria produktów.

Wartość może oscylować w granicach od 1 do 10 lub może być nieobecna. Nie jest decydujące w przypadku wyboru dysku SSD.

(-P) wskazuje na obecność pamięci podręcznej opartej na pamięci DRAM.

Schowek (cache) służy głównie do przechowywania tabeli translacji adresów, co zwiększa szybkość dostępu do pamięci flash i zapisu plików.

Każdy 1 GB pojemności SSD powinien mieć 1 MB pamięci podręcznej. Tak więc dysk SSD o pojemności 120–128 GB powinien mieć 128 MB, 240–256 GB — 256 MB, 500–512 GB — 512 MB, 960–1024 GB — 1024 MB pamięci podręcznej.

Szybkość dysku SSD bez schowka DRAM zmniejszy się podczas długich operacji zapisu drobnych plików.

Główne serie dysków SSD Innodisk

Oprócz wyżej wymienionych serii, w ofercie Innodisk znajduje się unikalny produkt — dyski ogniotrwałe 3.5” Fire Shield SSD.

Dyski SSD serii 3.5” Fire Shield SSD są w stanie wytrzymać działanie otwartego ognia o temperaturze 800 oC przez 30 minut, niezawodnie chronią elementy pamięci przed wpływami zewnętrznymi.

Konkluzja

Podsumowując, chcę zauważyć, że w tym artykule wspólnie z Tobą:

• Dowiedzieliśmy się, co to jest dysk SSD
• Podaliśmy definicję pamięci flash i dowiedzieliśmy się, jakie są architektury (NOR, NAND)
• Zorientowaliśmy się, dlaczego architektura NAND lepiej nadaje się do dysków SSD
• Znaleźliśmy różnice między typami komórek pamięci NAND (SLC, MLC, TLC, QLC)
• Porównaliśmy kilka produktów firmy Innodisk, określiliśmy, które typy komórek mają największą wytrzymałość i niezawodność, a które przystępną cenę
• Określiliśmy, jakie są wymiar i które stosowane w nowoczesnych komputerach przemysłowych
• Na przykładzie dysków SSD firmy Innodisk przeanalizowaliśmy, które serie produktów istnieją i do jakich zadań są lepiej dostosowane

Mam nadzieję, że przedstawione materiały okazały się przydatne i ułatwiły Ci poruszanie się po świecie przemysłowych dysków opartych na pamięci flash.

W celu uzyskania dalszych informacji lub zamówień prosimy o kontakt z naszym zespołem sprzedaży za pośrednictwem poczty elektronicznej: sales@ipc2u.pl lub skontaktuj się z nami bezpośrednio telefonicznie: +48 22 208 7702