Technologie SSD - SLC, TLC i MLC - vyšší kapacita za méně peněz má i svou stinnou stránku

29. 1. 2014 08:00    Rubrika: Technologie    Autor: Jakub Pavlis

Solid State Disky jsou sice stále drahé a nevytlačily klasické HDD z trhu, ale co není, může být. V jejich vývoji se toho děje rozhodně mnohem více než na poli magnetických kotoučů. Takzvané flashky nahradily diskety už dávno, dokáží v budoucnu totéž SSD? Na tuto otázku ve článku odpověď nehledejte, ale najdete tu stručný přehled aktuálních technologií a toho, jak fungují.

SSD jsou podstatně modernější technologií než HDD a tedy větší potenciál budoucího vývoje. Vždyť HDD jsou technologií v principu vymyšlenou už v 70. letech minulého století a 40 let dopracovávanou. A od doby zavedení kolmého zápisu se už vlastně nic neděje. Ano, zjemňují se paměťové stopy, zvýšila se možná rychlost rotace datových ploten a i řadiče jsou rychlejší, ale jde jen o pomaličkou evoluci, převratného nic. Vždyť i nejnovější trend – hybridní disky – už jen kombinují starou technologii s novou, ale úplně jinou.

Nejprve si pojďme shrnout zápory a klady HDD. Největším problémem je jednoznačně nutnost otáčení datových ploten. Vysokootáčkové motorky jsou těžké, hlučné a mají vysoké nároky na spotřebu energie. V porovnání s NAND flash technologií jsou také pevné disky o dost větší (současná podoba SSD vychází ze zavedených standardů pro HDD a má jen málo společného se skutečnými prostorovými nároky) a mají menší výkon, tedy rychlost čtení i zápisu. A nutno je zmínit i celkovou křehkost HDD vycházející z jejich „pohyblivosti“ a také nízkou odolnost vůči magnetickému záření. A nějaká výhoda? Dříve to bývala vyšší kapacita, ale tuto mezeru již technologicky SSD téměř dotáhla. Zůstává tak poslední, ale nejdůležitější – cena přepočtená na paměťovou jednotku, chcete-li, pak tedy cena za megabyte.

U SSD je situace samozřejmě opačná. Při nasazení SSD místo HDD zjistíte, že váš počítač je najednou tišší a mnohem rychleji reaguje. Úsporu hmotnosti obvykle příliš nezaznamenáte, je spíše v rádu desítek gramů, ale je tu také. A na notebooku je příliš mnoho jiných zranitelných částí na to, abyste skutečně ocenili vyšší odolnost, ale pryč jsou alespoň nepříjemné prostoje způsobené parkováním hlav při prudších pohybech s notebookem.

O základech samotné technologie NAND flash pamětí se už nebudu rozepisovat, řadu věcí najdete ve starším článku SSD - co se skrývá uvnitř. Pojďme se však podívat na současné technologie a na to, jakým způsobem se flash čipy zmenšují.

Hlavní technologií, která se dosud využívá pro zlepšení vlastností NAND flash pamětí, je miniaturizace. Firmy s ní mají velké zkušenosti a mohou znovu zhodnotit prostředky vydané třeba při vývoji technologií pro miniaturizaci procesorů (zejména se týká Intelu), protože se stále jedná „jen“ o produkci křemíkových transistorů, tedy s nadsázkou řečeno. I výhody jsou podobné jako u procesorů. S menšími tranzistory stoupá výtěžnost výrobního procesu, čipy se zmenšují, čímž je možné zvýšit hustotu paměti v jednotlivých zařízeních (vzpomínáte na flashky s kapacitou v řádech stovek megabytů?), lze využívat méně proudu a také se produkuje méně odpadního tepla. Nezanedbatelný vliv má miniaturizace i na celkový výkon paměti. A díky tomu všemu lze paměti vyrobit levněji a prodat dráže.

I konkrétně jsou na tom velikosti výrobního procesu prakticky úplně stejně jako u procesorů. U nových výrobků se běžně setkáme s charakterizací 20nm class – tedy výrobním procesem v řádu dvou desítek nanometrů, konkrétní hodnota se pak liší podle výrobce, nejobvyklejší je 22 – 24 nm. Nejnovější technologie jsou už 10nm class, v praxi zatím nejlépe 19 nm, ale brzy se počítá s rozšířením výroby 14nm tranzistorů. V podstatě nedlouho po té, co během letošního roku začne tímto procesem vyráběné procesory dodávat na trh Intel.

Křemíková miniaturizace ovšem pomalu naráží na fyzikální omezení a každý další krok stojí více a více prostředků. U procesorů se tedy začalo s vyšší paralelizací výpočtů namísto neustálé honby za vyššími takty. Jak vypadá takový „kopernikiánský“ obrat u SSD? U NAND pamětí se jako se základní jednotkou počíta s buňkou (angl. Cell), která nabývá nějakých paměťových stavů. Dnes máme tři možné úrovně (levels) – SLC (Single Level Cells – jednoúrovňové, dva stavy), MLC (Multi – dvouúrovňové, čtyři stavy) a TLC (triple – tříurovňové, celkem osm stavů). Jednotlivé technologie využívání paměťových buněk mají samozřejmě své výhody a nevýhody.

SLC čipy jsoiu vyrobeny nejstarší technologií a jejich buňka umí nabývat pouze dvou stavů (0,1), což znamená, že má nejnižší paměťovou hustotu a při stejné velikosti se na ně vejde menší množství dat. A kapacitu či cenu za megabyte řeší uživatelé nejčastěji. Kvůli tomu jsou tyto čipy i poměrně drahé, jinak ovšem mají jen řadu výhod – mají nejrychlejší zápis i čtení, tedy výkon, a také nejvyšší dobu výdrže. Podle odhadů i laboratorních testů mají výdrž v řádu desítek tisíc cyklů zápisu (obvykle se jako střední hodnota udává 100 000). Pokud hledáte nejvýkonnější disk nebo SSD vhodné pro zálohování cenných dat, toto je vaše volba. Nesmíte ovšem hledět na nějakou tu korunu.

Běžnou technologií v dnešních SSD je MLC. Každá buňka může nabývat až čtyř stavů (00, 01, 10, 11). Kromě zvýšené paměťové hustoty a tím nižší ceně za megabyte (uvádí se zhruba 3x nižší), což je obrovská výhoda pro větší rozšíření SSD, už následují jen nevýhody v podobě o něco nižšího výkonu a výrazného propadu trvanlivosti. Jako střední doba výdrže se udává 10 000 cyklů.

TLC čipy jen násobí vlastnosti MLC čipů. Paměť nabývá osmi stavů (000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 a 111) , ale dále se snižuje výkon (trvá déle, než se přečte aktuální stav buňky) a opět klesá výdrž, která se udává na hodnotě 5000 cyklů. To už je na hranici použitelnosti u disků, kde se očekává vysoký pohyb dat, pro běžné potřeby (například instalace OS a nejčastěji používaných programů), kde je důležitější rychlost čtení a zápis se neočekává tak často, jde stále o dobré řešení, které i přes nižší výkon oproti SLC odezvu PC urychlí oproti HDD opravdu výrazně. A potěší cena za megabyte, která je nižší zhruba 5x.

TLC čipy pro SSD určitě nejsou odpovědí na všechny potíže s rozšířením této technologie, ale zajímavým způsobem odpovídají na tu nejpalčivější – totiž vysokou cenu těchto paměťových úložišť, navíc pomůžou uvést na trh vysokokapacitní SSD za ceny, které budou uživatelé schopni akceptovat. Daní za to je jejich pomalost (a teoreticky i kratší životnost při zapisování), kterou výrobci SSD zatím obchází například přidáním malé SLC cache pro zápis.