עוד אפשרויות

Google translateGoogle translate
RSSמאמרים וחדשות RSS
קישור לעמוד זהLinkback
גרסא להדפסהגרסא להדפסה
del.icio.usשמירה ב del.icio.us
DIGGהמלצה ב-DIGG
google bookmarkסימניית גוגל

מאמרים מהקבוצה

ההבדלים בין תאי זכרון ב- NAND וההתקדמות ל- QLC

19/08/2018 - 07:20



 
 
 

הקדמה

רכיבי NAND הם מהרכיבים עם הביקוש הגדול ביותר בשוק והם מתאפיינים במבנה פשוט למדי, זאת הסיבה שהם מהרכיבים ששינו הכי הרבה את גודלם בקנה מידה בשנים האחרונות בתחום הרכיבים האלקטרונים.

בשנת 2012, הליטוגרפיה הנפוצה אצל רוב היצרניות המובילות של רכיבי NAND היתה 20nm, אבל על מנת לרדת לליטוגרפיה קטנה יותר, היה צורך בשינוי גדול של תהליך הייצור - ואז החל שימוש נפוץ ב- TLC, תא זכרון בעל יכולת של שמירת 3 ביטים לעומת 2 ב- MLC.

 

ההבדלים בין תאי הזכרון

נדבר בקצרה על סוגי תאי הזכרון על מנת שנוכל להבין טוב יותר את ההבדלים בינהם. תא זכרון מקבל מתח הולך ועולה עד שהוא משנה את מצבו ממצב "מכובה" למצב "דולק", כך עובד תא מסוג SLC (ראשי תיבות של Single Level Cell), שמירה של ביט אחד לתא שנותן לנו 2 מצבי מתח - 1 או 0. תאים מסוג זה מאוד מהירים, מסוגלים לעבוד בטווח רחב של טמפרטורות, אמינים בצורה גבוהה, אבל מאוד יקרים והכי בזבזנים במקום פיזי ולכן לא נפוצים היום בשוק הביתי.

תא מסוג MLC (ראשי תיבות של Multi Level Cell) מרחיב את היכולות עוד יותר ושומר 2 ביטים לתא, כלומר לפנינו יכולת שמירה של פי 2 מצבי מתח: 00, 01, 10, 11. רכיבי NAND מבוססי MLC זולים יותר לייצור ולכן נפוצים לשוק הביתי. 

תא מסוג TLC (ראשי תיבות של Triple Level Cell) הולך צעד אחד קדימה ושומר 3 ביטים לתא, כלומר 8 מצבי מתח: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. רכיבי NAND מסוג זה הכי זולים היום לייצור ולכן הכי נפוצים. 

כבר הצלחתם לנחש לבד כי הדור הבא של תאי הזכרון יהיה מסוגל לשמור 4 ביטים לתא עם 16 מצבי מתח, הוא נקרא QLC (ראשי תיבות של Quad Level Cell) ומוצרים לשוק הצרכני הוצגו לאחרונה על ידי אינטל עם סדרת ה- SSD 660p אשר עושים שימוש ברכיבי NAND מתוצרת IM Flash ובקר של Micron.

 

על מנת לתת המחשה גרפית לעד כמה משנה יכולת הכנסת עוד ביטים לתא, לפניכם התמונה הבאה:

 

ההבדלים בין תאי זכרון ב- NAND וההתקדמות ל- QLC



מערך ה- NAND למעלה מתאר 16 מיליארד טרנזיסטורים (כל טרנזיסטור מייצג תא NAND) ואת המערך ניתן להפוך לרכיב NAND מבוסס SLC, MLC, TLC או QLC.

אם נכניס את מערך ה- NAND בנפח ה- 16GB הראשוני שלנו לייצור ונרצה להרכיב NAND מבוסס SLC, נקבל רכיב סופי בעל נפח של 16GB מכיוון שכל תא מסוגל לשמור ביט אחד של מצבי מתח כפי שאוזכר קודם לכן. 

אם נכניס את מערך ה- NAND בנפח ה- 16GB הראשוני שלנו לייצור ונרצה להרכיב NAND מבוסס MLC, נקבל רכיב סופי בעל נפח של 32GB מכיוון שעכשיו כל תא מסוגל לשמור 2 ביטים של מצבי מתח.

לפי הדוגמה למעלה, כבר הבנתם כי הצלחנו להכפיל את נפח הזכרון שלנו ברכיב ה- NAND הסופי ושמרנו על אותו גודל פיזי של רכיב ה- NAND. היתרונות של עירום מערכי NAND די ברורים, לכן התעשיה עבדה בצורה מהירה על מנת להכניס לייצור המוני את TLC אשר הציג 3 שכבות של מערך NAND. בדוגמה למעלה, ניתן לראות כיצד רכיב NAND מבוסס TLC יגיע לנפח של 48GB וזה בשל השימוש ב- 3 שכבות של 16GB NAND.

 

מערך 3D NAND

הדור הבא וזה שהכי נפוץ כיום נקרא 3D NAND והוא עוסק בהשמת עוד ועוד מערכי TLCQLC אחד מעל השני, כך אנחנו מקבלים שכבות רבות יותר של זכרון מכיוון שהן נערמות לגובה והכל תחת אותו מקום פיזי, לכן השימוש במונח 3D. חברת Samsung קוראת לטכנולוגיה V-NAND ואילו שאר היצרניות דובקות במונח 3D. 

ההבדלים בין תאי זכרון ב- NAND וההתקדמות ל- QLCזוג התקני SSD מבית Western Digital בטכנולוגית 3D NAND

 

הדורות הראשונים של מערכי NAND מסוג 3D היו עם 24 שכבות כאשר ככל שנערום עוד ועוד שכבות, נוכל לקבל נפח גדול יותר של זכרון תחת אותו מקום פיזי כפי שאוזכר לפני כן. הטכנולוגיה הזאת הגיעה כיום כמעט לשיאה עם 64 שכבות מעל TLC כאשר הדור הבא אמור להיות QLC, כלומר 4 ביטים לתא עם 16 מצבי מתח. 

חברת Western Digital כבר הכריזה על הדור השני מתוצרתה לרכיבי QLC, אשר נכנסים לדור הרביעי של החברה עבור רכיבי 3D NAND בשם BiCS4 ופותחו ביחד עם Toshiba. בדור זה הנפח המקסימלי יעמוד על 1.33Tb לרכיב NAND, מהגבוהים כיום בתעשייה. רכיבי ה- NAND יגיעו בדור זה לכדי 96 שכבות והדגמים השונים יהיו זמינים בתצורות של 256GB ועד ל- 1TB, כאשר רכיבי ה- NAND הראשונים יהיו ב- TLC ורק לאחר מכן יוצגו QLC. 

חברת Samsung מצד שני, החלה בתחילת אוגוסט בייצור המוני של 4TB QLC SSD, אשר עושה שימוש ביחידות NAND בנפח 1Tb ועם ביצועים דומים לכדי SSD מבוסס TLC. בהמשך החברה תציג רכיבי SSD בגודל 2.5" בנפחים של 1TB, 2TB ו- 4TB

 

הבעיה עם QLC

בעולם אידיאלי, היינו מכניסים עוד ועוד ביטים לתא זכרון ובכך מגדילים את הנפח ומורידים עלויות, אבל ככל שדוחסים יותר ביטים לתא, הבעיות גדלות.

אם ניקח לדוגמה את SLC (כאמור, שמירה של ביט אחד לתא שנותן לנו 2 מצבי מתח), מאוד קל ומהיר לשנות את מצב התא. אבל בהשוואה ל- MLC, יש לנו 4 מצבי מתח לבדוק, ב- TLC הבעיה מתעצמת עם כ- 8 מצבי מתח לבדוק. על מנת להכניס יותר מצבי מתח, גודל ה- Page גודל מ- 2048B ב- SLC ל- 16384B ב- MLC/TLC. מספר ה- Pages בבלוק גם גודל מ- 64 ל- 1024 ואז ל- 1536 (SLC-MLC-TLC בהתאמה). הבלוק גם גדול יותר, זמני מחיקה לבלוק גדלים (1.5ms-3ms-8ms) וכל זה מתבטא בזמני עבודה ארוכים הרבה יותר וגם מחזורי כתיבה נמוכים יותר. כן, קראתם נכון, אורך החיים הצפוי להתקנים מבוססי QLC נמוך יותר מאלו של MLC או SLC.

הסיבה לכך טמונה ב- MOSFET, כן הטרנזיסטור.

ההבדלים בין תאי זכרון ב- NAND וההתקדמות ל- QLC


הטרנזיסטור זהה לא משנה אם לפנינו MLC, SLC או TLC.

הסיליקון בטרנזיסטור הוא בעובי דק של מספר nm בודדים וכל פעם שאנחנו מעבירים דרכו מתח, הוא נשחק במידה מסויימת. לאחר זמן מסויים, זמני המחיקה לוקחים יותר זמן (לפני שכותבים ערך חדש לתא, יש למחוק אותו), כאשר הבקר מזהה את זה, הוא מפעיל מתח גבוה יותר ולאורך זמן גדול יותר - מתח גבוה יותר בתמורה עוד יותר מקצר את חיי הטרנזיסטור עד שאנחנו מגיעים למצב בו הבלוק מזוהה כפגום ויוצא מהמערך על ידי הבקר על מנת להמשיך לשמור על ביצועי ההתקן.

ב- SLC יש לנו רק 2 מצבי מתח, לכן התא יכול לקבל מרווח מאוד רחב של מתחים ועדיין להיות שמיש. ב- TLC יש לנו 8 מצבי מתח, אז המרווח לטעות הוא הרבה יותר קטן. 

היצרנים הגדולים טוענים למספר מחזורי חיים של מיליונים בודדים של MTTF לפי פרוטוקולים מוסכמים לבדיקת צפי לכשלון (חברת Western Digital משתמשת ב- Telcordia SR-332, חברת Samsung לא מפרטת את הפרוטוקול). 

אם קראתם בין השורות, הצלחתם להבין כי הבשורה של QLC איננה תהיה במהירויות עבודה גבוהות, אלא האפשרות לקבלת נפח התקן גדול יותר מכדי מה שהכרנו בעבר מהתקני SSD. ובאמת, התקני ה- QLC הראשונים שהגיחו לשוק מבית Intel ו- Samsung, מגיעים עם מהירויות עבודה רציפות של 500MB~ לערך, רחוק מאוד ממהירויות של 3000MB~ עבור עבודה רציפה מהתקני 3D TLC בפרוטוקול NVMe.

 

מה צופן לנו העתיד?

קיימת ציפייה כלשהי להתקני SSD מעורבים, כלומר לעשות שימוש ברכיבי NAND מסוג TLC עבור גישות מהירות ועוד רכיבי QLC עבור שמירה לאורך זמן. אחר הבעיות עם תצורה כזאת הינו התמהיל בינהם והצורך בבקר חכם למדי שידע את התדירות שימוש במידע ובכך לפזר אותו בין רכיבי ה- NAND המתאימים. 

כרגע היצרניות הגדולות רק הכריזו על הגדלת מספר השכבות בדורות הבאים של זכרונות 3D TLC והורדת הליטוגרפיה מ- 12nm, אך הירידה באמינות הכוננים ככל שמספר השכבות מתרבות והעליה במספר התקלות המאותרות על ידי הבקר, אומנם יכולות לקבל פיצוי מסויים על ידי שיפור מנגנוני ECC והגברת האגרסיביות שלהם, אבל לא רחוק היום בו זה לא יהיה כלכלי ולכן טכנולוגיות מתקדמות יותר כמו ReRAM, PMC, MRAM ואחרות, כרגע בבחינה אצל היצרניות הגדולות. 

לדיון בנושא: ההבדלים בין תאי זכרון ב- NAND וההתקדמות ל- QLC

 

המאמר בחסות Western Digital Corporation המיוצגת ע"י קבוצת ח.י, היבואנית הרשמית של WD בישראל.

 

 

ההבדלים בין תאי זכרון ב- NAND וההתקדמות ל- QLCעוד בנושא: Western Digital - WD Black NVMe SSD

 

 

 

ההבדלים בין תאי זכרון ב- NAND וההתקדמות ל- QLC

עוד בנושא: התקני SSD - מה ההבדל בינהם?




עוד מ: ziv_r
תגיות

דירוג הכתבה

דירוג ממוצע:

5.0

בהקשר זה

 עוד על טכנולוגיה כללי


המאמר הפופולרי ביותר בתחום טכנולוגיה כללי:
תחנת עבודה HP Z4 G4
תקנון / תנאי השימוש באתר צור קשר / contact us כל הזכויות שמורות לקבוצת ht