A 3D flashmemória fejlődésével az SSD-k tárkapacitása ugrásszerűen növekszik majd, így nem kell többé választani a gyors, de kis méretű meghajtók és a tágas, de lassú HDD-k között.
Évente egyszer a flashmemória-piac nagyjai összeülnek az örökké napos kaliforniai Santa Clarában, amelynek konferenciaközpontja évek óta ad helyt a Flash Memory Summit (FMS) nevű rendezvénynek. Ennek keretében pedig nemcsak a legújabb SSD-ket, memóriachipeket és vezérlőket mutatják be, hanem a technológiai fejlesztésekről is rengeteg szó esik. Tavaly mind a négy fő gyártó, azaz a Samsung, az IMFT (Intel/ Micron), a Flash Forward (Toshiba/Western Digital) és a Hynix, az adatsűrűség kérdésére fókuszált. Az utóbbi években egyre inkább előtérbe került az SSD meghajtók kapacitásának bővítése, és ez nagymértékben a 3D NAND elterjedésének köszönhető. Az ilyen fajtájú memóriachipekben a cellák nem a megszokott módon, egy síkban helyezkednek el, hanem több ilyen sík egymásra építésével, térbeli struktúrát alkotnak. A tavalyi FMS-en bemutatott fejlesztéseknek köszönhetően pedig ezek a struktúrák lehetővé teszik, hogy a flashmemória a közeljövőben felváltsa a merevlemezek forgó korongjait a nagy kapacitást igénylő területeken is.
Megtorpanás a HDD-k világában
A tavaly augusztus elején megrendezett kiállításon 30 és 50 TB-os SSD-ket is bemutattak, a Samsung pedig már egy 128 TB-os példány elkészültét is bejelentette, a hagyományos merevlemezek mérete akkor 12 TB-nál tetőzött. Az akkori technológia egy standard 3,5”-os eszközben 14 TB-nyi adat tárolását tette lehetővé, és egyelőre a fejlődés is megtorpanni látszik. Bár drasztikus javulást ígérő újdonságok, így például a hővel segített mágneses rögzítés (HAMR), időről időre felbukkannak, az utóbbi években ezek egyike sem vált még piacéretté, csak mostanság. A HAMR esetében egyébként az adatokat rögzítő területet lézerrel melegítik, így teszik könnyebben mágnesezhetővé, aminek következtében „nagyobb felbontással” lehet kezelni a mágneses doméneket. Nem csak elméletben és prototípusok formájában, mert kereskedelmi forgalomban van már HAMR-meghajtó. A flashmemóriák is rohamtempóban fejlődnek, ahogy azt a Samsung által demonstrált következő generációs kis méretű (NGSFF – Next Generation Small Form Factor) SSD is mutatja. Ez az eszköz egy 100 mm hosszú lapkára integrált 16 TB-nyi tárolóhelyet. Persze egy átlagos PC-s felhasználó még csak álmodhat róla, hiszen kisebb vagyonba kerül és elsősorban adatközpontokba szánják. Ami tehát a dinár/GB értéket illeti, itt a HDD-k még előnyben vannak. De már nem sokáig.
Iparági viták
A 2017-es Flash Memory Summit egyik fontos kérdése volt, hogy vajon eljött-e már a merevlemezek korának vége. Az egyik iparági szakértő, aki így látja, Currie Munce, civilben a Micron SSD-k fejlesztésével foglalkozó részlegének vezetője. Azt sem árt figyelembe venni ezzel kapcsolatban, hogy a két utolsó, még kitartó HDD-gyártó, a Seagate és a Western Digital évek óta próbálja megvetni a lábát az SSD-piacon: tavaly egy befektetési csoport, amelyben a Seagate és a Hynix is benne van, megvásárolta a Toshiba flashmemória-üzletágát, nagy szomorúságára a WD-nek, amely korábban éppen a Toshibával közösen fejlesztett új flashtípusokat. A Seagate előadásán bemutatott statisztikák arról szólnak, hogy a jövőben az adatközpontok által vásárolt kapacitásnak már csak 5 százaléka lesz mágneses lemez, a Gartner elemzői szerint pedig a PC-s piacon a következő öt évben évi 20 százalékkal nőhet az SSD-k részesedése. Ez ugyanekkora méretű csökkenést jelent a merevlemezek számára. Ráadásul ez még konzervatív becslésnek is minősülhet, ha egy másik előrejelzés beválik: e szerint az SSD-knél a következő öt-hat évben 75 százalékkal csökkenhet az egységnyi adat tárolásának költsége. Mindez pedig nem a chipek olcsóbbá válásának, hanem kapacitásnövekedésének köszönhető.
Lépjük át a korlátokat
A flashmemóriákat harmadik dimenziósakká kezdték gyártani. Az, hogy a 3D NAND megjelenése mekkora változást okoz a tárolók piacán, a következő években látszik majd csak igazán, ráadásul a 3D NANDgyártásra történő átállás meglehetősen tőkeigényes feladat. Bár a hagyományos, síkbeli memóriachipeket még mindig gyártják, ezek már elérték technikai lehetőségeik határait.
Az alapokat nézve a 2D flashmemória ugyanolyan tranzisztorokból áll, mint a számítógépes alkatrészek túlnyomó része, így a CPU is. Ezenfelül a cellákban található egy úgynevezett lebegő kapu is, amely az elektromos töltés elnyeléséért felelős. Ennek a kapunak a töltöttsége jelzi, hogy a cella milyen értéket tárol. A legegyszerűbb esetben, ha nincs töltés, az 0-t, ha van, az 1-et jelent. Ennél azonban jóval bonyolultabb szituációk is előfordulhatnak, hiszen vannak olyan cellák is, amelyekbe akár négy bitet is bezsúfolhatunk. A tavaly használt, 16 nm-es eljárás nagyjából a méretcsökkentés végét jelentette, a 2D NAND cellái már csak nagy erőfeszítések árán zsugoríthatóak tovább, ami az árak drasztikus növekedésével jár együtt. Az adattároló struktúrák réteges felépítésének lehetősége, azaz a 3D NAND megjelenése azonban feleslegessé teszi a csíkszélesség erőltetett csökkentését. Az első generációs ilyen 3D NAND megoldások, amelyeket a Samsung 2012-ben mutatott be, még 24 rétegből álltak, míg a kereskedelmi forgalomban megjelenő SSD-kbe már 32 réteges chipek kerültek. A tavalyi eszközök 48 réteget használtak, az Intel akkor júliusban bejelentett 545-ös szériába tartozó termékeiben pedig már 64 réteg volt, de a piacon legnagyobb részesedéssel rendelkező Samsung sem maradt le mögöttük, az év vége felé náluk is megjelent ez a rétegszám. Az egyre növekedő érték pedig drámai módon növeli az adatsűrűséget: miközben a 2D NAND kevéssel 1 Gbit/mm2 felett tetőzött, a 3D NAND már 4 Gbit/mm2 környékén járt.
Négyzetmilliméterenként hat gigabit
A rétegek számának növekedése pedig ezzel nem állt meg: 2018-ban az átlagos érték már 96, legalábbis a Samsung és a Toshiba (a két legnagyobb gyártó) bejelentése szerint – ez valamivel 6 Gbit/mm2 feletti adatsűrűséget jelent. Ugyanakkor iparági szakértők arra figyelmeztetnek, hogy a rétegszám növelése nem tarthat bármeddig: „Az egyes rétegeket összekötő „furatok” elkészítése egyre nehezebb, márpedig az egyenletes furatok rendkívül fontosak az azonos sebesség eléréséhez”, mondja Jeff Ohshima, a Toshiba vezető fejlesztője. A LAM Research egyik kutatója azonban úgy véli, hogy ez a probléma csak jóval 100 réteg felett okoz majd igazi nehézséget – és könnyen lehet, hogy tudja, mit beszél, lévén, a LAM Research az egyik fő gyártója a flashmemória ostyákba a furatokat elkészítő berendezéseknek. További adatsűrűség-növekedést tesz lehetővé, hogy a gyártók nemcsak a rétegekből alakíthatnak ki emeletes struktúrákat, hanem ezeket a struktúrákat ismét csak egymás tetejére építhetik. Az egymás tetejére kerülő blokkok elektromos bekötésére már évek óta használnak vékony vezetékeket. Tavaly a 8-16 blokk együttes használata teljesen átlagosnak volt tekinthető.
Négy TB egyetlen chipen
A Samsung által bejelentett 128 TB-os SSD működéséhez azonban nem 16, hanem egyenesen 32 blokkot kell egymás fölé építeni – ez pedig új rekordot jelentett, és egyben azt, hogy a Samsungnak egy körömnyi – 11-22 mm-es oldalhosszúságú négyzetről beszélünk – területen sikerült 4 TB adatot rögzíteni. Normál esetben a vezetékcsoportok használatakor a blokkok szélét kötik össze a chip alapjával – ez azonban elég sok helyet foglal és energiát is fogyaszt, azaz melegszik, a vezetékek hosszának növekedésével pedig az adathibák száma is növekszik. Ezen negatív hatások ráadásul a rétegek számának emelésével párhuzamosan egyre feltűnőbbé válnak. A Toshiba tehát új technológiát dolgozott ki, és olyan chipeket mutatott be, amelyeken a blokkokat TSV-k (Through Silicon Vias) kötik össze. Ezek a TSV-k tulajdonképpen vékony, 50 micron átmérőjű fémvezetékek, amelyek közvetlenül a rétegeken haladnak keresztül. A Toshiba állítása szerint ez felére csökkenti a chipek fogyasztását, és egyben gyorsítja az adatátvitel sebességét is. A bemutatott chipeknél a TSV-k 8-16 réteget kötnek össze, de a cél a 32 elérése volt.
Több bit egy cellában
Az adatsűrűség további növekedéséhez egy már korábban használt eljárást alkalmazhatunk megint: növeljük a cellákban tárolható bitek számát. Tavaly a gyakorlatban 3 bit volt a maximum, de a laboratóriumokban már négy bitnél tartottak. Ez ismét csak a 3D-s megoldásnak köszönhető, a cellák itt ugyanis masszívabbak, több írást viselnek el.
Az, hogy egy cellában hány bitet tudunk tárolni, a feszültségi szinttől függ, az pedig attól, hogy a lebegő kapu hány elektront képes tárolni. A fő gond itt az, hogy az írási műveletek számának növekedésével ez a kapu lassan egyre megbízhatatlanabbá válik, az elektronokat „bezáró” szigetelő réteg ugyanis kopik, romlik, és nem lesz képes megtartani a töltést. Ez, ha a kérdéses cella csak egy bitet tárol, nem nagy gond, ugyanis itt csak két feszültségi szintet kell megkülönböztetni a 0-1 közötti különbség eldöntéséhez. Az ilyen Single Level cellák (SLC) tehát akár 100 ezer írást is könnyedén elviselnek. A nagyobb adatsűrűség biztosítása érdekében azonban a gyártók a Triple Level, azaz háromszintű cellákat használják, amelyek három bit tárolására képesek – ehhez azonban nyolc feszültségi szint között kell megbízhatóan különbséget tennünk. Egy 2D NAND-ban található TLC cella csak körülbelül 1000 írást visel el, és ennek a durva romlásnak az az oka, hogy a gyártóknak egyre kisebb és kisebb struktúrákat kell létrehozni ahhoz, hogy a 2D felépítés mellett az adatsűrűség növekedését elérjék. Ezzel a méretcsökkentéssel párhuzamosan azonban a lebegőkapu által megtartott elektronok száma is csökken, ami a feszültségszinteket is közelebb hozza egymáshoz, növelve a sérülések iránti érzékenységet.
Négy szint a harmadik dimenzióban
A 3D NAND egyik előnye a 2D-s változattal szemben, hogy a cellák jóval nagyobbak, 50-70 nm átmérőjűek. Ez lényegesen több elektron tárolását teszi lehetővé, tehát strapabíróságuk is növekszik. A Samsung állítása szerint például a 64 rétegű 3D NAND cellái 7000 írási ciklust viselnek el. A Toshiba az első gyártó, amely a TLC-n továbblépve immár QLC, azaz négy bites (Quad Level) cellák gyártásába fogott. Ezekben a 3D NAND elemekben 16 feszültségi szint segítségével tárolják az adatokat, és a cég állítása szerint legalább 1000 írási ciklus elviselésére képesek, ami egy asztali gép esetén több év működésre elegendő. A Samsung és a Micron 2018-ban szintén piacra lép saját QLC alapú termékeivel, és ezek között már a 96 rétegű 3D NAND is megtalálható lesz. Ez jól mutatja, hogy a flashmemóriák területén az eredetileg szerverekbe, adatközpontokba kidolgozott technológia milyen sebességgel jelenik meg a végfelhasználói termékekben is. Kivétel lehet ezalól az említett TSV chip, ennek gyártása ugyanis meglehetősen drága, tehát csak nagy kapacitású és gyors SSD meghajtók esetében érdemes foglalkozni vele. Az eddig ismertetett újdonságok persze önmagukban nem jelentik azt, hogy a közeljövőben végleg befejeződik a HDD-k gyártása, már csak azért sem, mert jelen pillanatban a világ teljes SSD-gyártó kapacitása sem képes az egyre növekedő igényeket kielégíteni. Ez az igény pedig a mobil eszközök számának és a felhőben tárolt adatok mennyiségének növekedésével egyenes arányban növekszik maga is. Az azonban nagyon valószínű, hogy aki otthoni PC-jénél vagy notebookjánál megelégszik 4-8 TB-os háttértárral, az hamarosan HDD-ről SSD-re válthat. (A Chip nyomán)
