Technologie SSD: co je nového?

Dle vývoje rozhraní určených pro SSD to vypadá, že nás už brzy čeká nová generace modelů, jež rozvíří už trochu stojaté vody ve spotřebním světě. SSD pro rozhraní SATA Express, pokud budou chtít pracovat přes PCI Express, budou rovněž potřebovat nové kontrolery. Asi nejaktivnější firmou s ohledem na nové technologie SSD, je Samsung, jenž kromě modelu Samsung XS1715, prvního podnikového SSD s NVMe, si připravil i model XP941, první komerčně dostupné SSD formátu NGFF. O obou jsme se zmínili v předchozí kapitole.

Samsung XP941 je malá kartička, jejíž přenosové rychlosti dosahují dle specifikací až 1400 MB/s, o čemž si modely pro rozhraní SATA mohou nechat zdát. Takový výkon nám dříve ukazovaly spíše jen modely SSD v podobě velkých karet pro desktopové počítače a jejich rozhraní PCI Express, jenže takové jsou dnes stále velmi drahé a pro běžného uživatele nezajímavé. Jenomže XP941 se již letos v létě dostal do počítačů Apple MacBook Air, přičemž je známo, že produkty této firmy jsou pro nové technologie vstupenkou mezi širokou veřejnost, přičemž Samsung své XP941 dodává i jiným výrobcům notebooků.

Tento model SSD je založen na kontroleru Samsung S4LN053X01-8030, o němž se nepíše nic. Dle jiných informací jde ale o Marvell 88SS9187, což je však kontroler ne pro PCIe, ale pro SATA a v jeho schopnostech je zápis kolem 500 MB/s, přičemž SSD má dosáhnout až 970 MB/s. Na tomto příkladu je vidět, jak jsou informace o nových SSD technologiích neúplné a často zmatené.

Nicméně v blízké budoucnosti budeme ve spojení s SSD mluvit o SATA Express, NVMe a NGFF a Samsung se stává jednou z důležitých firem, které se budou snažit tyto technologie prosadit. Když se podíváme na jeho současné produkty, pak se hovoří především o jeho kontrolerech MCX, MDX a nejnověji MEX, jenž je využitý u nové generace ne zrovna drahých Samsung SSD 840 EVO (viz ceny dole).

V souvislosti s nimi se objevily technologie, jež stojí za pozornost. Jednak to jsou v recenzi zmíněné 19nm paměti 3-bit MLC, čili NAND Flash schopné v jedné buňce uložit 3 bity informace, a to za cenu snížené životnosti, respektive počtu mazacích/zapisovacích cyklů. Jejich výroba je podstatně levnější, ale výdrž už je taková, že nás musí sám výrobce přesvědčovat o tom, že běžnému uživateli to musí stačit a pokud snad ne, měl by si koupit SSD s vyšší kapacitou, jehož výdrž bude při stejném množství pravidelně zapisovaných dat delší. To samozřejmě s použitím technik Wear Levelling a Over Provisioning, které jsou už dlouho standardně využívány pro rovnoměrné zatížení paměťových buněk, respektive jako záloha pro případ jejich selhání.

Tím to ale nekončí. Tříjádrový kontroler MEX s ARM Cortex R4 na 400 MHz, jenž oproti 300MHz MDX (Samsung SSD 840) nabídne jednak o 27 % vyšší počet IOPS (random 4K, QD1), čili hrubou sílu navíc, ale i hardwarově implementované funkce. Jednou z nich je TurboWrite, což je v podstatě vysokorychlostní vyrovnávací buffer v režimu SLC uvnitř SSD 840 EVO, která má zajistit mnohem rychlejší zápis, tedy než se naplní. SSD 840 s kapacitou 120 GB, tak dosáhne zápisu 140 MB/s, ale u SSD 840 EVO se stejnou kapacitou je to 410 MB/s.

Kapacita tohoto bufferu se liší v závislosti na modelu, takže 1TB model má 36GB buffer a 120 a 250GB modely mají 9GB buffer. Jenomže oněch 36 a 9 GB se uvádí ve vztahu k 3bitovým pamětem MLC, které jako zmíněný buffer pracují v režimu SLC, tedy se schopností zaznamenat ne tři, ale jeden bit na buňku. Tím kapacita bufferu ve výsledku klesne na třetinu, čili 12 GB, respektive 3 GB. Po jeho naplnění logicky dojde ke snížení zapisovací rychlosti, i když opět v závislosti na kapacitě modelu. Největší problém bude mít 120GB SSD, jehož rychlost zápisu pak poklesne až třikrát a nejméně bude ovlivněn 1TB model u nějž má TurboWrite minimální přínos. Buffer se automaticky "vyčistí" čili se z něj data přepíšou jinam v době, kdy SSD jinak není potřeba.

Otázkou pak je, zda můžeme být s takovýmto řešením spokojeni. Šité je na míru běžným uživatelům, kteří své SSD využijí jako systémový disk, ovšem profesionálové, kteří nakládají s velkými objemy dat a potřebují vždy co nejvyšší výkon, se raději poohlédnou jinde. Ostatně ani nemohou čekat, že takto levná SSD, prezentovaná vyloženě jako spotřební produkty, jim budou vyhovovat.

Další často prezentovanou funkcí u SSD 840 EVO je RapidMode, ovšem to v podstatě není nic jiného, než softwarově vytvořený RAM disk, který funguje pro SSD jako další vyrovnávací paměť. To není nic nového, tedy ani zajímavého. Za zmínku ale stojí to, že pak je vytvořená šňůra vyrovnávacích pamětí už velmi dlouhá. Máme tu základ - 3bitové MLC, na něž navazuje TurboWrite, dále samotná vyrovnávací paměť DRAM (až 512 MB LPDDR2) a následně ještě RapidMode, čili nejspíše paměti DDR3.

Kontroler MEX se nakonec chlubí ještě funkcí Dynamic Thermal Guard, jež má zapracovat v případě, že SSD nepracuje v teplotním rozmezí 0 - 70 °C, přičemž jde o horní hranici. V takovém případě se SSD zpomalí, sníží spotřebu, a tedy i výdej tepla a čeká, až teplota opět klesne. To však ale bude problém spíše samotného systému, v němž se SSD má pařit v takových teplotách, neboť jeho samotná spotřeba je mizivá (Samsung uvádí průměrnou 0,1 W, ale to nemá změřeno přesně).

V poslední době je slyšet především o Samsungu, jenž představuje nové produkty s toužebně očekávanými technologiemi. Toho už ale bylo dost, máme tu ale i jiné tradiční výrobce SSD, kontrolerů a pamětí NAND Flash, jako jsou Intel, Micron, OCZ Technology. Tyto firmy ale stále představují novinky formátu 2,5" s rozhraním SATA či SAS a pak je tu třída SSD pro PCI Express, kam nedávno zasáhl také nový Mushkin Scorpion Deluxe nebo Mach Xtreme MX-Express. I to jsou ale stále ty staré známé technologie, čili kontrolery SandForce SF-2281 a podobné, jejichž základ je v rozhraní SATA.

Kde jsou tedy kontrolery pro SATA Express, NVMe a aktuální verzi PCI Express? Pokud si o nich zkusíte něco vyhledat, na moc informací nenarazíte. O těchto technologiích se mluví již delší dobu, ovšem specifikace SATA 3.2 popisující rozhraní SATA Express a formát NGFF byly vypuštěny teprve letos v srpnu a v souvislosti s nimi se psalo o tom, že nyní již konečně výrobci budou moci přijít s vícekanálovými kontrolery, jež dokáží využít propustnost dvou linek rozhraní PCI Express 3.0.

Alespoň jedna firma ale nečekala, a to Integrated Device Technology (IDT), která na začátku tohoto roku představila 16kanálový kontroler 89HF16P04AG3 pro PCIe 3.0 x4 a 32kanálový 89HF32P08AG3 pro PCIe 3.0 x8. Ty sice využívají více linek PCIe, než je ve specifikacích SATA Express, ale jinak jde o moderní kontrolery, které plně odpovídají specifikacím NVMe 1.1. Jde o plně programovatelné kontrolery, které IDT dodává firmám Intel, Toshiba či dalším, jež je využívají pro výrobu podnikových SSD.

Nyní by se tedy již měly začít objevovat podobné čipy i od jiných firem, např. od LSI (výrobce kontrolerů SandForce), jež své modely představilo v září na Intel Developer Fóru, ovšem pouze jako demo. V jeho rámci byl využit testovací program posílající příkazy přes NVMe cílovému kontroleru od LSI, o němž zatím není víc známo.

Také Micron si chystá vlastní kontroler pro NVMe, který bude využitý v SSD řady 520, má být schopen plně využít rozhraní PCIe 3.0 a přijde v kartách formátu PCIe SSD HHHL a pravděpodobně také v 2,5" SSD. Dobrou zprávou je, že podobné kontrolery se mají časem objevit i ve spotřebních SSD Micronu, které se prodávají pod značkou Crucial.

Potvrzuje se tedy, že nové technologie SSD zamíří nejdříve na lukrativnější trh s podnikovými řešeními a až pak se dočkají běžní zákazníci. Po oficiálním vypuštění nových specifikací SATA 3.2 by se ale už konečně věci mohly dát do pohybu. Tím bychom mohli článek zakončit, ale ještě se podíváme na jednu zajímavou technologií týkající se pamětí NAND Flash, přičemž se opět vrátíme k Samsungu.

Trojrozměrné čipy jsou již dlouho zkoumanou oblastí a v poslední době s nimi slaví úspěchy především Micron a jeho Hybrid Memory Cube (HMC). Zdánlivě něco podobného si chystá, respektive již přichystal, i Samsung, ale ne s využitím DRAM, ale NAND Flash. Nejde však o vertikálně propojené, ale o jinak orientované a stavěné paměti.

Nové paměti dostaly označení Vertical NAND (V-NAND), což je celkem přesně popisuje. Jsou to čipy postavené na hranu, přičemž Samsung zde staví na vylepšené technologii CTF (Charge Flash Trap) vyvinuté firmami AMD a Fujitsu. Ta má za úkol zachytit elektrický náboj v komůrce nevodivého materiálu SiN, a to má v porovnání s klasickými NAND jednak prodloužit dobu, po kterou je paměť schopna sama o sobě informaci udržet a také se mají vyřešit některé problémy vznikající stále pokročilejšími výrobními procesy. Dnešní 19nm paměti NAND Flash totiž dokáží informace po spotřebování mazacích/zapisovacích cyklů udržet jen po dobu 12 měsíců (záleží také na okolní teplotě a typu/kvalitě paměti), což se bude nejspíše jen zhoršovat, čili nové technologie opravdu jsou zapotřebí.

Samsung udává, že jeho V-NAND jsou oproti NAND s buňkami MLC dvou až desetinásobně spolehlivější, přičemž to bude pravděpodobně záviset na použité výrobní technologii. Ke konci léta také firma oznámila, že ve své korejské továrně v Hwaseongu ke konci léta započala výrobu 128Gb čipů V-NAND, přičemž očekává, že jejich kapacita časem poroste daleko rychleji než u NAND. Ta bude totiž záviset na počtu použitých vrstev, přičemž zmíněný 128Gb model jich nese 24. V příštích letech má Samsung vyvinout postupy na výrobu 512Gb a dokonce i 1Tb pamětí V-NAND.

Můžeme v tom vidět cestu, jak tvořit vysokokapacitní, levné a stále dostatečně spolehlivé paměti. Samsung se chlubí i jejich vysokým výkonem, což nám dává naději, že výrobci se v budoucnu nebudou muset tolik uchylovat k využívání množství technologických berliček, s jejichž pomocí se snaží levná SSD zatraktivnit, respektive zachránit jejich nedostatky. Musí si uvědomit, že důvěru řady zákazníků mohou často zklamat jen jednou a většina z nich chce prostě a jednoduše především spolehlivý a stabilně výkonný disk či SSD.