IT knowledge base
CTRL+F per cercare la tua parola chiave

L'evoluzione delle unità a stato solido: dai primi modelli degli anni '70 ai giorni nostri

Nell'ottobre 2016, abbiamo introdotto due linee di unità a stato solido da 2,5 pollici contemporaneamente: WD Blue e Green SSD. In qualsiasi altro settore, una mossa del genere potrebbe sembrare abbastanza rischiosa, anche per un'azienda come Western Digital. Infatti, la promozione di una novità in una nicchia in cui le sfere di influenza sono state a lungo definite, nella maggior parte dei casi si trasforma in grandi costi finanziari e raramente porta a risultati positivi. Tuttavia, il mercato degli SSD ha le sue specificità, aprendo le più ampie opportunità di concorrenza, dovute sia alle caratteristiche tecnologiche sia a una serie di prerequisiti storici. Riguarda la storia dell'emergere delle unità a stato solido di cui parleremo oggi.

Pionieri SSD: veloci, costosi, non per tutti

A rigor di termini, gli SSD sono apparsi molto prima dell'invenzione della memoria flash. Dopotutto, cos'è, in sostanza, Solid State Drive? È un supporto di memorizzazione che non contiene componenti meccanici. Così, il primissimo SSD al mondo può essere chiamato la creazione della società Dataram con l'orgoglioso nome Bulk Core, presentata nel 1976. Il telaio in acciaio che misurava 19 x 15,75 pollici conteneva 8 strisce di RAM volatile, ognuna delle quali aveva un volume di 256 kilobyte. Il dispositivo ha le dimensioni di un buon UPS (e, grazie alla disponibilità di batterie di riserva, il peso corrispondente) è costato 9.700 dollari all'inizio. I dispositivi che trovarono applicazione nell'industria e nei settori ad alta intensità di conoscenza, tuttavia, a causa del loro costo elevato e della loro inaffidabilità (tuttavia, il rischio di perdita di dati era estremamente elevato) non si diffusero.

Dataram Bulk Core è il primo SSD
Eppure, appena 6 anni dopo, Axlon ha tentato di conquistare il segmento consumer entrando nel mercato con un disco RAM esterno progettato specificamente per i personal computer Apple II del 1982. La novità portava a bordo 320 kilobyte di RAM, aveva dimensioni paragonabili ai moderni NAS compatti ed era dotata di batterie ricaricabili che garantiscono 3 ore di autonomia in caso di blackout.

La brochure promozionale di Axlon RAM Disk chiede di "aggiornare" il tuo Apple II
Puoi intuire quanto sia diventata popolare una soluzione del genere guardando i prezzi: all'inizio delle vendite, il dispositivo costava $ 1.400, mentre lo stesso Apple II in una modifica con 4 kilobyte di RAM a quel tempo ti sarebbe costato $ 1.298 . Anche se la memoria permanente incorporata di questo PC aveva anche 4 kilobyte, la possibilità di collegare un registratore a cassette e, successivamente, unità da 5,25 pollici, ha più che compensato questa mancanza. Allo stesso tempo, il prezzo esorbitante e il rischio di perdere tutte le informazioni hanno reso RAM Disk poco attraente per l'utente finale, soprattutto perché la maggior parte degli utenti semplicemente non aveva bisogno di ulteriore velocità di lettura/scrittura.

L'invenzione della memoria flash: una nuova era nello sviluppo degli SSD

Tutti i dispositivi di cui sopra non erano redditizi a causa del loro costo elevato, inaffidabili a causa della necessità di un'alimentazione costante e inutilmente ingombranti a causa delle caratteristiche del design. In altre parole, le unità a stato solido del passato sono state private di tutti i vantaggi dei modelli moderni, il che spiega il loro fiasco. Per creare una soluzione davvero rivoluzionaria, era necessaria una tecnologia fondamentalmente nuova, che apparve solo a metà degli anni '80 con l'invenzione della memoria flash.
I dispositivi di memoria a semiconduttore esistevano prima: la prima EPROM è stata creata da Dov Froman nel 1971, ma tali chip non erano nemmeno adatti al ruolo di memoria rimovibile. Il fatto è che la procedura per cancellare le informazioni è stata eseguita mediante irraggiamento diretto della matrice di transistor con una lampada a mercurio ultravioletta, per la quale c'era anche una piccola finestra di vetro al quarzo nella custodia, situata direttamente sopra il chip. Le EEPROM più avanzate erano già ROM cancellabili elettricamente, ma per realizzare questa possibilità era necessario introdurre un secondo transistor in una cella standard, che controlla le modalità di scrittura e cancellazione. Per questo motivo, l'area di cablaggio dei componenti della matrice (e, quindi, il chip stesso) è aumentata in modo significativo e, di conseguenza, è stato necessario sacrificare la compattezza dei dispositivi.
Pertanto, la principale ricerca scientifica è stata condotta nel campo della creazione di microcircuiti con un posizionamento più denso di circuiti di cancellazione. E questi furono coronati da successo nel 1984, quando Fujio Masuoka, che lavorava per Toshiba Corporation, presentò un prototipo di memoria flash non volatile all'International Electron Devices Meeting tenutosi presso l'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE).

Fujio Masuoka, inventore della memoria flash
Il nome stesso è stato inventato dal suo collega, Shoji Ariizumi, che ha paragonato il processo di cancellazione dei dati a un lampo. A differenza di EEPROM, Flash era basato su MOSFET con un ulteriore gate flottante posizionato tra il p-layer e il gate di controllo, consentendo chip veramente miniaturizzati.
I primi dispositivi di memoria flash commerciali furono i chip NOR (Not-Or) di Intel, lanciati nel 1988. Le matrici di questo tipo erano un array bidimensionale, in cui ogni cella di memoria si trovava all'intersezione di una riga e di una colonna (i conduttori corrispondenti erano collegati a diverse porte del transistor e la sorgente era collegata a un substrato comune) . Tuttavia, già nel 1989, Toshiba ha introdotto la memoria flash NAND. L'array aveva una struttura simile, ma in ciascuno dei suoi nodi, invece di una cella, ce n'erano ora diversi collegati in sequenza. Inoltre, in ciascuna linea sono stati utilizzati due transistor MOS: un transistor di controllo situato tra la linea di bit e una colonna di celle e un transistor di massa.
La maggiore densità di imballaggio ha contribuito ad aumentare la capacità del chip, ma anche l'algoritmo di lettura/scrittura è diventato più complesso, il che ha influito sulla velocità di comunicazione. A tal proposito, la nuova architettura non poteva sostituire completamente la NOR, che trovava applicazione nella creazione di ROM embedded, mentre la NAND veniva utilizzata nella fabbricazione di dispositivi di archiviazione portatili (chiavette USB, schede SD). A proposito, la produzione di quest'ultimo è diventata possibile solo nel 2000, quando il costo della memoria flash è diminuito abbastanza e tali dispositivi potrebbero ripagare, e il primo "rondine" è stato il modello DiskOnKey di IBM, il cui volume era solo 8 megabyte. Un po', tuttavia, non dimentichiamo che un dispositivo in miniatura delle dimensioni di un portachiavi ha sostituito con successo otto floppy disk da 3,5 pollici.

Unità flash IBM DiskOnKey
Poiché il rilascio di chip flash è un processo tecnologicamente complesso e ad alta intensità di conoscenze, ci sono solo poche aziende specializzate nella loro produzione, tra cui SanDisk dovrebbe essere evidenziata. Ha più di 200 brevetti sul suo conto, le cui licenze per l'uso sono state successivamente acquisite da giocatori famosi come Intel, Hitachi, Samsung e Sony. Tra i principali successi dell'azienda, vale la pena menzionare l'introduzione dello standard CompactFlash (1994), lo sviluppo della MultiMedia Card (1997) e il formato Secure Digital Memory Card (SD) creato insieme a Toshiba nel 2000. Non a caso, quando Toshiba si è diretta verso il mercato statunitense, SanDisk è stata scelta come partner strategico per fondare la joint venture FlashVision LLC (lanciata nel 2001) basata sugli impianti di produzione della sussidiaria del colosso giapponese Dominion Semiconductor. Nell'ottobre 2015, SanDisk è stata acquisita da Western Digital. Unendo le forze con uno dei fondatori della tecnologia flash e ottenendo l'accesso a tutti gli sviluppi e le innovazioni chiave, oggi siamo in grado di creare soluzioni di livello consumer veramente moderne, competitive e affidabili.

Flash SSD per tutti

Tuttavia, tornando all'argomento di discussione: SSD. L'antenato delle moderne unità a stato solido basate su flash è stato rilasciato da Digipro nel 1988: trasportava a bordo 16 megabyte e costava $ 5.000. Un anno dopo, M-Systems ha presentato un concept device che assomiglia più o meno a quelli moderni. Aveva un formato da 3,5 pollici e poteva contenere da 16 a 896 megabyte di informazioni. Il modello seriale uscì solo nel 1995 e si chiamava FFD-350 (Fast Flash Disk). A causa del prezzo elevato, che raggiunge diverse decine di migliaia di dollari, ha trovato applicazione in settori come il complesso militare-industriale e l'industria aeronautica; il detentore del record in velocità e volume non era adatto per la vendita al dettaglio.

Digipro Flashdisk - Il primo SSD NAND
Il pioniere nel segmento consumer è stato il modulo flash Transcend IDE rilasciato nel 2003, che era collegato tramite un'interfaccia Parallel ATA a 44 pin e aveva una capacità di 128 o 512 MB. Il prodotto è stato posizionato come un azionamento veloce e tollerante ai guasti per il lavoro in condizioni estreme. Il modulo a basso profilo è salito a soli 2 centimetri sopra il connettore, quindi può essere collegato direttamente senza utilizzare un cavo a nastro.

Transcend IDE Flash Module apre il mercato degli SSD al dettaglio
E il primo SSD SATA è apparso solo un anno dopo: Adtron Corporation ha introdotto un'unità Flashpack da 2,5 pollici, ma il suo valore di mercato, a seconda della modifica, ha raggiunto $ 11.200. Samsung è riuscita a invertire la tendenza in termini di politica dei prezzi, offrendo ai clienti un dispositivo con il nome semplice Flash SSD con un volume di 32 gigabyte "solo" per $ 700! E anche se era ancora difficile definirlo davvero enorme, gli appassionati pronti a sborsare per l'aumento delle prestazioni di un PC di fascia alta, questa opzione era di loro gradimento.

Adtron Flashpack: il prototipo dei moderni SSD
La riduzione del costo e l'aumento dell'attrattiva degli SSD per il consumatore medio è stato in gran parte reso possibile dall'emergere di celle di memoria multi-bit. Inizialmente, l'architettura delle matrici flash presupponeva la capacità di scrivere un solo bit di informazione in ogni cella, ovvero il gate flottante poteva immagazzinare solo due livelli di carica (questo tipo di memoria era chiamato SLC - Single-Level Cell). Il passo successivo è stata la creazione di una MLC (Multi-Level Cell), in grado di memorizzare 2 bit (quattro livelli di carica) per ogni cella. La memoria flash TLC (cella a tre livelli) a 8 livelli (3 bit), chiamata anche MLC a 3 bit, si è rivelata ancora più spaziosa ed economica da produrre: a partire dal 2015, il suo costo è sceso a 40 centesimi per gigabyte.
Come NOR e NAND, ognuna di queste soluzioni ha preso la sua nicchia. Dopotutto, se SLC fornisce la massima velocità di accesso alle informazioni archiviate ed è estremamente tollerante ai guasti, allora TLC è caratterizzato da un budget e da una densità di archiviazione più elevata. Nei contro di quest'ultimo, puoi annotare una risorsa di lavoro significativamente più piccola. Di conseguenza, SLC si è diffusa nel segmento corporate, TLC è diventata un monopolio incondizionato nella vendita al dettaglio e i prodotti basati su MLC sono focalizzati principalmente su coloro che apprezzano l'affidabilità e allo stesso tempo vogliono spremere il meglio dalla propria auto.
L'ulteriore sviluppo dell'SSD è stato effettuato migliorando le interfacce dei microcircuiti. Nel momento in cui è sorta la questione dell'introduzione di standard uniformi, un consorzio di aziende tecnologiche, che comprendeva Intel, Sony, SanDisk, Micron Technology, Numonyx, Phison Electronics Corporation, SK Hynix, Spansion e STMicroelectronics, ha sviluppato l'interfaccia Open NAND Flash (ONFI ), la prima versione presentata nella primavera del 2006. La larghezza di banda dell'ONFI 1.0 era di soli 50 MB/s e non era in grado di liberare tutto il potenziale nemmeno di SATA II - solo la sua quarta revisione, rilasciata nel 2014, è stata in grado di superare la barra impostata da SATA III, dimostrando una velocità di trasferimento 800 MB / con e fornendo un notevole aumento della produttività.
Un ruolo altrettanto importante è stato svolto dal miglioramento degli algoritmi di lettura/scrittura e della memorizzazione nella cache. Ad esempio, con gli SSD WD Blue, ci siamo concentrati sul miglioramento delle prestazioni implementando la tecnologia nCache 2.0, che utilizza parte della memoria disponibile in modalità SLC e forza letture casuali in scenari di carico del mondo reale.

WD Blue SSD 1TB - fiore all'occhiello della linea di unità a stato solido di prima generazione di Western Digital
La copia diretta dei dati dal buffer SLC al TLC, implementata a livello di chip bypassando il controller, ha permesso di utilizzare il modello Marvell 88SS1074 a quattro canali più economico senza sacrificare le prestazioni. A proposito, quest'ultimo supporta la correzione degli errori basata sui codici LDPC, grazie ai quali WD Blue SSD è in grado di vantare una risorsa di riscrittura fino a 400 TBW, che è superiore di oltre il 50% rispetto ad altre soluzioni in questa categoria di prezzo. Pertanto, implementando le innovazioni di cui sopra, siamo stati in grado di creare un prodotto veramente competitivo basato sulla memoria TLC, che combina alta velocità e affidabilità a un prezzo relativamente basso.
Sebbene tutto quanto sopra abbia migliorato le prestazioni e la tolleranza ai guasti delle unità, il potenziale della NAND 2D era limitato. Quando le possibilità del processo tecnologico a 15 nanometri furono praticamente esaurite e l'ulteriore miglioramento della parte software cessò di fornire alcun aumento notevole degli indicatori chiave, la memoria flash NAND 3D venne a sostituire i microcircuiti planari. La sua architettura è caratterizzata da una disposizione verticale: strati conduttivi e isolanti si depositano sul cristallo a strati. Nel risultante "soffio" si formano canali, sulle cui pareti vengono applicate le strutture di isolanti e gate flottanti - di conseguenza, otteniamo colonne di transistor ad effetto di campo a forma di anello. Questo approccio consente di aumentare significativamente la densità dei chip e quindi aumentare la capacità di memoria.

Diagramma della struttura 3D NAND
L'invenzione in sé non può essere definita know-how: ad esempio, Samsung produce chip tridimensionali dal 2013. Ma, come sapete, la storia si muove a spirale: così come le unità flash sono apparse una dozzina di anni dopo la creazione della NAND a causa dell'alto costo di quest'ultima, anche i primi chip 3D erano troppo costosi, e quindi inadatti al mercato consumer . Ecco perché i principali sforzi dell'alleanza tra Toshiba e SanDisk, già una divisione di Western Digital all'epoca, miravano a sviluppare un approccio fondamentalmente diverso che ottimizzasse la produzione rendendo i chip più convenienti.
La ricerca è stata coronata da successo: il risultato del lavoro scrupoloso degli ingegneri è stato l'emergere della NAND 3D BiCS (Bit Cost Scalable). Rispetto alla soluzione Samsung, che supporta solo 48 strati in ogni chip, la tecnologia BiCS consente di aumentare la densità di imballaggio di 1,4 volte e di aumentare il numero di strati a 64. Anche l'architettura ha subito delle modifiche: il posto delle linee lineari è stato preso da U- quelli sagomati. La loro caratteristica principale è che le linee di sorgente, insieme ai transistor di commutazione, si trovano nella parte superiore del cristallo, il che elimina quasi completamente la comparsa di errori durante le operazioni di lettura / scrittura a causa dell'esposizione ad alta temperatura.

Architettura BiCS
Cosa significa in pratica? Poiché BiCS 3D NAND viene creato utilizzando una tecnologia di processo a 40 nm e non è necessario utilizzare la fotolitografia nella luce ultravioletta profonda, non è necessario modernizzare gli impianti di produzione esistenti. Tenendo conto della maggiore densità di archiviazione dei dati, il costo di produzione rispetto ai microcircuiti planari praticamente non cambia, consentendo la creazione di unità ad alta capacità. Inoltre, il nuovo design migliora l'efficienza energetica dei chip del 25% e ne aumenta l'affidabilità eliminando la possibilità di danni termici.
Tutto quanto sopra ha permesso di creare la prossima generazione di unità a stato solido WD SSD Blue, basate su chip a 64 strati. Rispetto ai loro predecessori, i dischi si distinguono per prestazioni elevate (la velocità di lettura raggiunge i 560 MB / s, la velocità di scrittura - 540 MB / s), l'MTBF fino a 1,75 milioni di ore e la risorsa di riscrittura fino a 500 TBW. In altre parole, anche con un carico fino a 80 gigabyte al giorno, le unità funzioneranno correttamente per 7 anni, un record assoluto nella categoria di prezzo medio. Inoltre, grazie all'aumento della densità di registrazione, la gamma aggiornata è stata reintegrata con un'ammiraglia da due terabyte: volume impressionante e prestazioni superiori rendono questo modello la soluzione ideale per professionisti e appassionati.

Invece di una conclusione

Già, si può sostenere che la NAND 3D più economica renderà il suo uso onnipresente. L'ulteriore corsa agli armamenti si sposterà verso un aumento della densità dei cristalli tridimensionali e lo sviluppo di soluzioni architettoniche originali, che consentiranno di creare prodotti veramente convenienti ed economici. È del tutto possibile che in segmenti come la produzione di laptop, gli HDD classici saranno completamente eliminati dal mercato dalle unità a stato solido. La tendenza è già visibile: secondo le previsioni di DRAMeXchange (una divisione dell'agenzia di analisi TrendForce), quest'anno la quota di notebook dotati esclusivamente di SSD supererà il 56% di tutti i dispositivi venduti, e in futuro questa cifra non farà che aumentare. Tuttavia, le prospettive di sviluppo del settore sono un argomento per un materiale separato, che prepareremo sicuramente per i lettori di Habr. Segui gli aggiornamenti del blog!