Contact us

Откроется новое окно Откроется новое окно

Твердотельные диски

02_SSD_v3_720x260

Компания Toshiba — лидер отрасли в областях жестких дисков малых формфакторов и флэш-памяти NAND (технология энергонезависимого хранилища, позволяющая хранить данные без питания). Мы предлагаем широкий спектр цифровых медиапродуктов, в основе которых лежат инновационные технологии хранения данных. Продукты Toshiba для хранения данных используются ведущими производителями ноутбуков, навигационных систем, центров обработки данных и внешних накопителей.

Твердотельный диск — это устройство хранения данных на базе полупроводниковой памяти, называемой флэш-памятью NAND и разработанной компанией Toshiba в 1987 г. Твердотельные диски все шире используются в компьютерах и других устройствах: от бытовой электроники до корпоративного и промышленного оборудования.

В отличие от более распространенных сейчас жестких дисков, в твердотельных накопителях отсутствуют подвижные части. Это дает множество преимуществ: твердотельные диски бесшумны, пригодны для эксплуатации в сложных условиях, надежны и долговечны, они имеют меньшие габариты, работают быстрее и потребляют меньше энергии.

Твердотельные и жесткие диски отличаются друг от друга характеристиками. Каждая из этих технологий имеет свои преимущества в плане показателей количества операций ввода-вывода в секунду, емкости, пропускной способности при операциях последовательного доступа к данным, энергопотребления и экономической эффективности. Поскольку каждый тип носителя отвечает разным потребностям, они скорее дополняют друг друга, нежели конкурируют. Компания Toshiba — лидер отрасли и единственный поставщик комплексных решений, производящий как жесткие диски, так и твердотельные накопители на базе флэш-памяти NAND *1. Компания и впредь будет разрабатывать и производить оба вида накопителей, предлагая их в тех областях применения, где они могут быть использованы максимально эффективно.

*1 Опрос компании Toshiba, проведенный в ноябре 2014 г.

Сферы применения

Благодаря своей прочности, надежности и высокой производительности, устройства на основе флэш-памяти NAND Toshiba позволяют улучшить мобильность, функциональность и надежность широкого спектра клиентских и корпоративных продуктов: мобильных компьютеров, игровых, домашних развлекательных и промышленных систем, а также серверов в центрах обработки данных. Вместе с увеличением емкости устройств на базе технологий MLC и TLC при сохранении их доступной стоимости растет и список областей применения таких устройств.

В 2007 г. Toshiba вывела на рынок современные твердотельные диски, клиентские твердотельные диски и твердотельные диски для предприятий. В настоящее время имеются диски с самыми разными формфакторами, интерфейсами и емкостью.

Клиентские твердотельные диски

При разработке ноутбуков важно не только уменьшить толщину корпуса, но и снизить массу, увеличить время работы от батареи и повысить производительность. Чтобы удовлетворить рыночные требования к компонентам для различных типов ноутбуков (от компьютеров с открывающейся крышкой до устройств со съемной крышкой), устройства хранения данных должны иметь высокую скорость передачи данных, низкую задержку, небольшие формфакторы и малое энергопотребление.

Сравнительно недавно в клиентских ноутбуках в качестве устройств хранения данных начали использоваться твердотельные диски на базе флэш-памяти NAND. Клиентские твердотельные диски подходят для этой области применения благодаря высокой скорости чтения и записи данных, малым габаритам, низкому энергопотреблению и устойчивости к ударам и вибрациям.

Твердотельные диски для предприятий

Из-за стремительного роста объемов данных, необходимости управлять ими и требований, предъявляемых современными корпоративными средами и приложениями, становится все более важно круглосуточно обеспечивать доступность, производительность и надежность систем. Одновременно с ростом этих требований совершенствуются технологии, используемые в твердотельных накопителях. Качество флэш-памяти NAND достигло того уровня, когда устройства на ее базе способны обеспечивать надежное хранение критически важных данных и скорости передачи данных, значительно превосходящие аналогичные показатели жестких дисков с вращающимися частями. Благодаря использованию полупроводниковой памяти для контроллеров и электронных интерфейсов, твердотельные диски могут полностью эмулировать команды и работу жестких дисков.

Твердотельные диски Toshiba для предприятий имеют самую современную конструкцию среди накопительных устройств корпоративного класса. Они спроектированы так, что способны добавить новые и усовершенствованные возможности в любые среды (серверы и системы хранения данных, например DAS, SAN и NAS), в которых традиционно используются механические жесткие диски корпоративного класса с интерфейсом SAS2. Твердотельные диски для предприятий имеют малое энергопотребление (с уменьшением потребности в охлаждении сокращаются текущие издержки центров обработки данных), исключительную устойчивость к ударам и вибрации, а также радикально увеличенную скорость доступа и передачи данных по сравнению с жесткими дисками. Благодаря этому они быстро становятся основными накопителями в системах уровня 0, в которых критически важны скорость операций ввода-вывода и надежность.

Эти накопители способны вытеснить традиционные механические шпиндельные диски в большинстве областей применения, где необходима высокая производительность. Они идеально подходят для критически важных систем, требующих высокой надежности, производительности и длительного срока службы.

* DAS — Direct Attached Storage, система хранения данных с прямым подключением к серверу; SAN — Storage Area Network, сеть хранения данных; NAS — Network Attached Storage, сетевая система хранения данных.

* SAS — Serial Attached SCSI, интерфейс SCSI с последовательным подключением.

 

Audio Equipment

Home Theatre

Broadcast Recording

Camcorders

CNC Devices

In Flight Entertainment

CT Scanners

Desktop PCs

Electronic Musical Instruments

HD Studio Camera

High-Speed Cameras

Navigation System

Kiosk Terminals

Laser Printers

Medical Measurement Instrument

Tablet PCs

Notebook PCs

Office Equipment

Arcade Games

POS Systems

Professional Camcorders

Set-Top Boxes

Studio Recording

Surveillance Cameras

Telephone Exchanges

Televisions

Video Editing Systems

Business Processing Servers

Financial Transactions Servers

Data Analysis Servers

Принципы работы твердотельных дисков

В общем случае твердотельный диск состоит из печатной платы, набора микросхем флэш-памяти NAND, кэш-памяти DRAM, контроллера памяти, контроллера интерфейса и интерфейсного разъема, например SATA, SAS и т. д.

В твердотельных дисках используется флэш-память NAND, способная хранить данные без питания. Она может иметь различные характеристики. Флэш-память NAND изготавливается по технологиям SLC (single-level cell, одноуровневые ячейки), MLC (multi-level cell, многоуровневые ячейки) или TLC (triple-level cell, трехуровневые ячейки). В памяти типа SLC в каждой ячейке хранится один бит данных. Память такого типа имеет повышенную долговечность, но производство накопителей большого объема на базе этой технологии обходится очень дорого. В памяти типа MLC в одной ячейке хранятся два бита, а в памяти типа TLC — три бита данных. Флэш-память, изготовленная по таким технологиям, имеет меньшую долговечность, но позволяет производить накопители большего объема по меньшей цене.

Конфигурация твердотельных дисков

Клиентские твердотельные накопители
Клиентские твердотельные накопители (серия HG6)

Твердотельные диски для предприятий
Твердотельные диски для предприятий (HK3R и PX02SMB160)

(1) Разъем

Как и в жестких дисках, в твердотельных дисках используется интерфейс SATA. Разъем SATA имеет механическую конфигурацию, совместимую с разъемами для жестких дисков.

(2) Контроллер

Контроллер — это главное устройство твердотельного диска. Он обеспечивает быстрое выполнение операций чтения и записи и высокую долговечность при операциях записи, а также повышает надежность накопителя.

(3) Флэш-память NAND

Во флэш-памяти NAND хранятся данные. В ней используются технологии MLC и TLC Toshiba, позволяющие производить накопители большого объема с низкой стоимостью.

Особенности твердотельных дисков

Твердотельные диски обеспечивают ряд преимуществ для рынка мобильных устройств, потому что в них нет движущихся частей, а также потому что они способны выдерживать удары и вибрации значительной силы. Благодаря высокой скорости передачи данных и низкому энергопотреблению твердотельные диски способны повысить производительность устройств, в которых они используются. Кроме того, твердотельные диски совсем не производят механического шума. Благодаря этому они идеальны для устройств, в которых тихая работа играет важную роль.

Высокая скорость чтения и записи

В отличие от жестких дисков твердотельным дискам для доступа к данным не нужно выполнять механических операций. Требуются только операции чтения из флэш-памяти и записи в нее. Поскольку твердотельным дискам необходимо выполнять только электрические операции, они обеспечивают высокую скорость доступа к данным. Это является их самым большим преимуществом. Кроме того, в твердотельных дисках возможен параллельный доступ к нескольким микросхемам флэш-памяти NAND. Благодаря этому повышается скорость операций чтения и записи. В твердотельных дисках, которые содержат флэш-память NAND, изготовленную по техпроцессу 19 нм, скорость передачи данных превышает 500 МБ/с, а скорость произвольного доступа к данным достигает 80 000 операций ввода-вывода в секунду.

В плане скорости выполнения операций чтения и записи флэш-память NAND типа SLC имеет большее быстродействие, чем флэш-память типа MLC. Однако стоимость микросхем типа MLC из расчета на один бит ниже, поскольку они способны хранить два бита данных в одной ячейке. Таким образом, в клиентских компьютерах широко используются накопители с микросхемами, изготовленными по технологии MLC. Недавно появилась технология TLC, которая позволит еще больше увеличить экономическую эффективность твердотельных накопителей.

* Скорость чтения и записи может варьироваться в зависимости от используемого хост-устройства, условий чтения и записи, а также от размеров файлов.

Устойчивость к сотрясениям и вибрации

Еще одно важное преимущество твердотельных дисков — отсутствие движущихся частей. Они невероятно устойчивы к ударам, сотрясениям и вибрациям, поэтому всегда стабильно работают. Это значит, что они способны надежно функционировать даже в местах с высоким уровнем вибрации. Они идеально подходят для ноутбуков и других малогабаритных портативных устройств, которые должны быть устойчивы к ударам и вибрациям.

Низкое энергопотребление

Так как в твердотельных дисках нет двигателей, они потребляют меньше энергии, чем жесткие диски, позволяя продлить время работы компьютеров от батарей. Это большое преимущество не только для ноутбуков, но и для высокопроизводительных корпоративных систем, например серверов. В них твердотельные диски вытесняют жесткие диски благодаря своей высокой производительности и низкому энергопотреблению. В связи с тем, что во всем мире постоянно ужесточаются экологические нормы, ИТ-компании ищут способы снизить энергопотребление без ущерба для производительности. В твердотельных дисках тепловыделение на единицу обрабатываемых данных существенно ниже, что позволяет снизить требования к системам охлаждения центров обработки данных. Это не только снижает вредное воздействие на окружающую среду, но и позволяет экономить значительные средства.

Малая масса и компактность

Клиентские твердотельные накопители
Серия HG6

Клиентские твердотельные диски Toshiba имеют массу всего около 9 г (модули формата Half Slim и mSATA). Они идеально подходят для востребованных на рынке легких мобильных устройств. В настоящее время многие модели твердотельных дисков выпускаются в формфакторах 1,8 и 2,5 дюйма. Это позволяет устанавливать их в различные устройства вместо жестких дисков. Кроме того, поскольку твердотельные диски состоят преимущественно из полупроводников, они предоставляют большую гибкость конструкции — их можно подключать даже напрямую к материнской плате. формфактор M.2 начал применяться относительно недавно. Твердотельные диски поддерживают следующие типы этого формфактора: 22110, 2280, 2260, 2242 и 2230. Таким образом, используя твердотельные диски, можно уменьшить габариты готовых продуктов и получить большую свободу при их конструировании.

Стандарт PCI Express M.2
На рисунке: стандарт PCI Express M.2 (спецификация PCI Express M.2)

Бесшумная работа

В жестких дисках имеются движущиеся части, издающие шум при работе. Так как в твердотельных дисках отсутствуют движущиеся части, у них есть значительное преимущество — бесшумная работа. Твердотельные диски не издают абсолютно никаких акустических шумов. Благодаря этому они идеально подходят для устройств, в которых важен низкий уровень шума: телевизоров, домашних кинотеатров, цифровых аудиосистем и видеокамер.

Технология, продлевающая срок службы

В результате повторяющихся операций чтения и записи, то есть инжекции электронов в плавающий затвор ячейки памяти NAND, слой оксида деградирует. Это приводит к уменьшению долговечности при операциях чтения и записи и сокращает срок службы твердотельного накопителя. Для преодоления этого ограничения и увеличения срока службы накопителей используются различные технологии. В современных твердотельных накопителях широко применяются три основных способа: Wear Leveling (выравнивание износа), Over Provisioning (использование избыточной емкости) и ECC & Refresh (использование кода коррекции ошибок и обновление).

Выравнивание износа, позволяющее сохранить производительность накопителя, осуществляется за счет алгоритмов, заложенных в контроллер флэш-памяти. Эта функция отслеживает и переназначает блоки данных, которые часто используются и достигают предопределенного порога доступа. Технология использования избыточной емкости заключается в применении большего количества логических блоков, назначенных устройству, чем предусмотрено его номинальной емкостью. Срок службы накопителя продлевается за счет переназначения блоков памяти механизмом выравнивания износа. Третий способ — использование кодов коррекции ошибок (ECC) и обновления. ECC (error correction codes) — это избыточные коды, добавляемые к данным пользователя. Они служат для исправления ошибок. Механизм обновления перемещает данные, чтобы предотвратить ошибку, прежде чем ECC превысит предел коррекции ошибки. С ростом количества циклов чтения и записи увеличивается коэффициент ошибок в памяти NAND. Метод кодов коррекции ошибок и обновления позволяет избежать увеличения коэффициента ошибок и продлить срок службы твердотельного накопителя.

Ключевые слова

  • Одноуровневые ячейки (Single-Level Cell, SLC)

    Одноуровневая ячейка (SLC) — это элемент памяти, способный хранить данные в отдельных ячейках памяти. Одноуровневые ячейки имеют высокую скорость доступа. Кроме того, эта технология позволяет записывать данные в твердотельный накопитель с помощью более «простых» логических схем управления с одноразрядными элементами. Этим она выгодно отличается от схемы с двухразрядными элементами, применяемой для управления многоуровневыми ячейками (Multi-level Cell, MLC). Благодаря этому память SLC потребляет меньше энергии. Кроме того, микросхемы SLC рассчитаны на 100 000 операций записи, что примерно в 10 раз превышает долговечность микросхем MLC. Благодаря высокой надежности и большой скорости передачи данных память SLC используется в высокопроизводительных твердотельных накопителях.

    * Скорость чтения и записи может варьироваться в зависимости от используемого хост-устройства, условий чтения и записи, а также от размеров файлов.

  • Многоуровневые ячейки (Multi-Level Cell, MLC)

    В одной ячейке памяти NAND может храниться несколько битов информации за счет использования нескольких уровней электрического заряда на плавающем затворе транзистора. Одна многоуровневая ячейка (MLC) хранит два бита информации. Эта технология позволяет достичь высокой плотности записи данных в устройствах малого формфактора и снизить стоимость одного гигабайта емкости.

    * Скорость чтения и записи может варьироваться в зависимости от используемого хост-устройства, условий чтения и записи, а также от размеров файлов.

  • Трехуровневые ячейки (Triple-Level Cell, TLC)

    В одной трехуровневой ячейке (TLC) хранится три бита данных. Благодаря этому твердотельные накопители, использующие такую технологию, имеют высокую экономическую эффективность. Эта технология начала использоваться в клиентских твердотельных накопителях. Прогнозируется, что с увеличением популярности ноутбуков и планшетных компьютеров нижнего ценового сегмента будет расти спрос на устройства хранения данных с трехуровневыми ячейками.

    * Скорость чтения и записи может варьироваться в зависимости от используемого хост-устройства, условий чтения и записи, а также от размеров файлов.

  • Долговечность

    Максимальное количество циклов стирания и записи в течение срока службы накопителя, по достижении которого начинается деградация ячеек памяти NAND, приводящая к потере данных и снижению надежности.

  • Сохранение данных

    Это период времени в рамках срока службы накопителя, в течение которого данные, хранящиеся в ячейках памяти, остаются неповрежденными и доступными для чтения. По мере приближения к своему пределу долговечности ячейка деградирует. При этом в качестве показателя, определяющего расчетный срок службы накопителя, используется общее количество циклов стирания и записи, выполненных к этому моменту.

  • Избыточная емкость

    При использовании этой технологии в устройстве хранения данных изначально выделяется избыточная емкость. Это позволяет обеспечить стопроцентную долговечность ячеек (расчетный срок службы) в рамках гарантированного срока службы накопителя. Избыточные ячейки выделяются в оперативном режиме и используются для замещения вышедших из строя ячеек памяти. В общем случае приемлемые значения показателей зависят от конкретного продукта.

  • Выравнивание износа

    Каждая ячейка памяти имеет ограниченный срок службы. После исчерпания этого ресурса структура ячеек разрушается и они изнашиваются. Чтобы гарантировать равномерный износ всех ячеек, ведется подсчет циклов стирания и записи. При достижении определенного порога все содержимое ячейки переносится в другой блок (сектор) памяти, который используется реже.

  • Коды коррекции ошибок (Error Correction Codes, ECC)

    Коды коррекции ошибок — это избыточные коды, добавляемые к данным пользователя. Они считываются вместе с данными и служат для коррекции возможных ошибок в них.

  • Обновление

    Если твердотельный накопитель используется в течение длительного времени, он изнашивается. Обновление — это механизм перемещения данных. Он позволяет предотвращать увеличение количества ошибок и переназначать данные для увеличения срока службы твердотельных накопителей.

  • Разрешающая способность техпроцесса изготовления флэш-памяти NAND

    Повышение разрешающей способности технологического процесса позволяет увеличить общий объем памяти и количество микросхем на одной технологической пластине, что удешевляет конечный продукт. Таким образом, разрешающая способность технологического процесса — это один из факторов, используемых для оценки конкурентоспособности технологических процессов изготовления флэш-памяти NAND. В качестве показателя разрешающей способности в технологическом процессе используется значение минимального интервала между элементами микросхемы (половинный интервал).

    Ниже показаны этапы совершенствования технологических процессов изготовления флэш-памяти NAND Toshiba, которая используется в клиентских твердотельных накопителях.

    43 нм — 2008 г.

    32 нм — 2009 г.

    19 нм — 2012 г.

    Второй процесс 19 нм — 2014 г.

Ссылки

Контакты

Если у вас возникли вопросы, перейдите по одной из этих ссылок:

Запрос на предоставление технической информации
Вопросы о покупке, образцах и надежности интегральных схем
To Top
·Before creating and producing designs and using, customers must also refer to and comply with the latest versions of all relevant TOSHIBA information and the instructions for the application that Product will be used with or for.