Технология изготовления твердотелых накопителей - SSD (Solid State Drive) презентация

Что такое твердотельный накопитель?
На замену магнитным жёстким дискам приходят твёрдотельные накопители, сокращённо – SSD (Solid State Drive). И хоть в сокращении упоминается слово drive – "диск", новые устройства хранения информации трудно назвать дисками, так как в них нет ничего напоминающего диск.

Преимущества SSD перед HDD
Их быстродействие куда выше, чем у HDD
Отсутствие движущихся частей и деталей
Малый вес
Расходуют меньше энергии

Устройство SSD-диска
Рядовой твёрдотельный накопитель представляет собой печатную плату с установленным на ней набором микросхем как на рисунке 2 и 3. Этот набор состоит из микросхемы NAND-контроллера и, собственно, микросхем NAND-памяти.
Площадь печатной платы твёрдотельного накопителя используется по-полной. Большую её часть занимают микросхемы NAND-памяти

Типы памяти в SSD
Для хранения информации в SSD используется NAND-память, которая состоят из огромного количества полевых транзисторов (транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором) с плавающим затвором. Их ещё называют ячейками (памяти). Ячейки объединяются в страницы по 4 кБайта (4096 байт), затем в блоки по 128 страниц, а далее в массив по 1024 блока. Один массив имеет объём 512 Мбайт и управляется отдельным контроллером. Такая многоуровневая модель устройства накопителя наносит определённые ограничения на его работу. Так, например, стирать информацию можно только блоками по 512 кБайт, а запись возможна только по 4 кБайт. Всё это приводит к тому, что записью и чтением информации с микросхем памяти руководит специальный контроллер.

В USB-флэшках уже давно используется TLC-память, которая хоть и быстрее "изнашивается", но и стоит гораздо дешевле. Именно поэтому стоимость USB-флэш и карт памяти неуклонно снижается.
Несмотря на то, что SSD-диски выпускают различные компании под своим брендом, NAND-память многие покупают у небольшого количества её производителей.
Производители NAND-памяти:
Intel/Micron;
Hynix;
Toshiba/SanDisk;
Samsung.

Память 3D XPoint и накопители Intel Optane
С относительно недавних пор появились накопители, которые основаны на новом типе энергонезависимой памяти 3D XPoint (читается, как "три ди кросс-поинт"). На базе 3D XPoint корпорация Intel выпускает твёрдотельные накопители под брендом Intel Optane. Разработкой нового типа памяти занимались две компании Intel и Micron.

Контроллеры SSD накопителей
Он обеспечивает обмен данными с шиной (SATA или PCIe), а также управляет операциями записи/чтения в ячейки памяти, контролирует состояние ячеек, выполняет их обслуживание и прочую вспомогательную работу. От того, насколько эффективно он этим занимается, и зависит быстродействие всего накопителя.

Контроллеры SandForce
Один из самых распространённых контроллеров SandForce – SF2281. Данный контроллер поддерживает интерфейс SATA-3 и встречается в SSD-накопителях Silicon Power, OCZ Vertex 3, OCZ Agility 3, Kingston, Kingmax, Intel (серии Intel 330, 520, 335).

Контроллеры Marvell
Marvell 88SS9174. Используется в SSD-дисках марки Crucial C300, M4/C400, а также Plextor M5. Данный контроллер зарекомендовал себя как один из самых недорогих, надёжных и быстрых.
Marvell 88SS9187. Данный контроллер используется в твёрдотельных накопителях Plextor серии M5 Pro, M5M, а также обновлённых M5S. Из новых особенностей можно отметить DRAM-контроллер с поддержкой до 1 Gb DDR3. Также реализована современная система коррекции ошибок ECC и снижено энергопотребление

Контроллеры LAMD (Hynix)
Компания LAMD (Link A Media Devices) является подразделением Hynix. Контроллеры LM87800 от LAMD используются в накопителях Corcair серии Neutron и Neutron GTX. Сам контроллер LM87800 является восьмиканальным и поддерживает интерфейс SATA 6Gb/s

Контроллеры Indilinx
Everest. Так как компания Indilinx – это дочернее предприятие OCZ, то не удивительно, что контроллер Everest2 входит в основу таких SSD, как OCZ Vertex 4, OCZ Agility 4. Преимуществом контроллера Indilinx является высокая производительность записи. Также стоит отметить хорошую сбалансированность – скорости чтения и записи практически одинаковы.
Barefoot 2. Основа контроллера – ядро ARM Cortex-M0. Этот SATA II контроллер имеет поддержку восьми каналов доступа к памяти типа MLC и SLC. В качестве буферной памяти может использоваться память LPDDR, а также DDR. Ёмкость твёрдотельного носителя на базе данного контроллера может достигать 512 Гб.
Barefoot 3. Новейший чип, выполненный по техпроцессу 65 нм и самостоятельно разработанный фирмой OCZ. Основа контроллера – ARM ядро и со-процессор Aragon (32-бит, 400 МГц). Благодаря поддержке специальных RISC-команд для работы с твёрдотельными накопителями, этот контроллер является лидером по быстродействию. Контроллер Barefoot 3 является восьмиканальным и поддерживает интерфейс SATA 6 Гбит/с. На базе этого контроллера фирма OCZ выпускает линейку SSD-дисков под маркой OCZ Vector.

Контроллеры Samsung
В своих твёрдотельных накопителях Samsung использует контроллер Samsung MDX. Для дисков Samsung 840 Pro и Samsung 840 применяется восьмиканальный MDX контроллер на базе 3-ёх ядерного чипа ARM Cortex-R4 (300 МГц)

Микросхема флэш-памяти
Самыми распространенными в настоящее время остаются два типа микросхем флэш-памяти — NOR и NAND. Запоминающие транзисторы в обоих типах подключены к разрядным шинам — соответственно параллельно и последовательно. Первый тип — NOR — имеет относительно большие размеры ячеек и быстрый произвольный доступ (порядка 70 нс), что позволяет выполнять программы непосредственно из такой памяти. У второго типа — NAND — меньшие размеры ячеек и быстрый последовательный доступ со скоростью передачи до 16 Мбайт/с, что гораздо удобнее для построения устройств блочного типа, которые используются для хранения больших объемов информации.

Главная проблема — недолговечность
В силу своего устройства флэш-память допускает ограниченное количество циклов стирания и записи. Дело в том, что флэш-накопители построены на свойстве полевых транзисторов хранить электрический заряд в «плавающем» затворе. Наличие или отсутствие заряда в транзисторе рассматривается как логический ноль или логическая единица в двоичной системе счисления. Для записи и стирания данных в NAND-памяти используется туннелирование электронов методом Фаулера — Нордхейма через диэлектрик (FN-туннелирование), что не требует высокого напряжения и позволяет сделать ячейки минимального размера. Однако именно процесс туннелирования заряда физически изнашивает эти ячейки, поскольку при помощи электрического тока заставляет электроны проникать в затвор, проходя сквозь барьеры из диэлектрика. Собственно, срок хранения информации в такой памяти декларируется достаточно длительный — 10 лет, но изнашивает микросхему памяти не чтение информации, а процессы стирания и записи, ведь для чтения через канал просто пропускается электрический ток, не изменяющий его структуры.

Как создаются твердотельные накопители?

Производство SSD начинается с разработки технологии флэш-памяти.

В отличие от жестких дисков, твердотельные накопители используют чипы флэш-памяти для хранения триллионов бит информации. Чипы флэш-памяти изготовлены на чистых кремниевых пластинах.

Готовые пластины отправляются на сборку для обработки.

Пластины нарезаны на отдельные микросхемы флэш-памяти и собраны на платах. Сплошной золотой провод используется для подключения каждого чипа к плате.

После происходит сортировка с последующей проверкой на соответствие заявленной производительности и маркировкой

Твердотельные накопители построены на печатных платах.

Микросхемы флэш-памяти и другие компоненты устанавливаются на поверхность печатных плат.

Собранные монтажные платы проверяются на функциональность и качество. Готовые платы находятся в корпусах SSD.

Специальная прошивка загружается на диски для более эффективного управления данными. Каждый SSD проходит серию тестов, которые могут длиться до шестидесяти часов.

Накопители дополнительно протестированы с различными материнскими платами для обеспечения широкой совместимости. Готовые твердотельные накопители поставляются клиентам по всему миру, от потребителей до крупных корпоративных центров обработки данных.