Память X-NAND, сочетающая преимущества QLC и SLC, стала на шаг ближе к реальности

Классическая архитектура NAND-памяти имеет свои пределы: по мере увеличения количества бит на ячейку падает и производительность, и надёжность. Компания NEO Semiconductor, о разработках которой мы рассказывали ранее, получила новые патенты на технологию X-NAND, позволяющую обойти ограничения традиционной флеш-памяти.

Даже переход от MLC к TLC вызвал в своё время множество нареканий, часть из которых удалось обойти переходом от планарной NAND к NAND с 3D-структурами. Но дальнейший рост плотности под вопросом: QLC-накопители не блещут производительностью, особенно при записи; а в случае с PLC ситуация ещё более обострится.

Цена многоячеечности в классической NAND-памяти

NEO Semiconductor предлагает решение, призванное избавить технологию NAND от основных её недостатков. Технология X-NAND позволит сделать QLC-память не только более производительной, нежели классическая SLC, но и более компактной с точки зрения расхода транзисторов и площади кристалла.

Архитектура страничного буфера классической флеш-памяти (слева) и X-NAND

Обычно с падением производительности многоячеечной NAND пытаются бороться увеличением числа одновременно программируемых столбцов (Y-Plane), но это ведёт к резкому росту объёма буферов записи — каждый «слой» требует собственного буфера. В архитектуре X-NAND, однако, один буфер может использоваться для параллельной работы с большим количеством линий, 16 и более. То есть при неизменном объёме буфера количество Y-Plane можно повысить в 16 и более раз, во столько же раз увеличивая и производительность за счёт параллелизма операций чтения и записи.

X-NAND позволит как уменьшить размер кристалла, так и увеличить производительность при прежней площади

Компания опубликовала достаточно подробную документацию, в которой разъясняется ряд нюансов, на которых базируется технология X-NAND. Так, программирование одновременно 16 ячеек с помощью одного страничного буфера достигается за счёт использования импульсов длительностью не более 10 мкс, что позволяет обойтись ёмкостью бит-линий без операций обновления (refresh), а заодно и существенно снизить энергопотребление. Также доступно краткое двухстраничное описание новой технологии.

Запись в SLC и перемещение в QLC в архитектуре X-NAND идут одновременно

NEO Semiconductor считает, что 16 Y-слоёв не предел: при 64 выигрыш в производительности при операциях записи и чтения может достигнуть 22 и 30 раз соответственно; узким местом станет пропускная способность самого интерфейса, а не возможности структур X-NAND. При этом надёжности разработчики тоже уделяют немало внимания: использование укороченных бит-линий позволяет снизить их ёмкость и повысить точность управления, что сделает достаточно надёжным даже пятибитный вариант (PLC).

Оценка преимуществ X-NAND при разном количестве бит на ячейку

Обойти чудовищное падение скорости при записи в технологии X-NAND позволяет возможность параллельного программирования ячеек: свежие данные всегда пишутся в SLC-ячейки, но одновременно с этим идёт процесс их перемещения в TLC/QLC/PLC-области. Таким образом, исключается основная проблема многоячеечных NAND-устройств, а именно сильное падение производительности записи при выходе за пределы SLC-кеша.

Переход на X-NAND позволит сделать QLC- и PLC-накопители быстрыми на всём объёме

Компания NEO Semiconductor уже получила два новых патента США за номерами 11056190 B2 и 11049579 B2, а значит, она намеревается продвигать технологию X-NAND всерьез, лицензируя её ведущим производителям NAND-устройств, таким как SK Hynix с Intel, Micron, Kioxia, Samsung, Western Digital. Если всё сложится удачно, такая память сможет совершить революцию в All-Flash СХД и наверняка заинтересует гиперскейлеров.

Новая технология X-NAND сочетает плотность QLC и скорость SLC

Флеш-память NAND используется сегодня везде, от портативных устройств до сверхпроизводительных корпоративных систем хранения данных. У технологии есть свои ограничения, к примеру, увеличение количества бит в ячейке NAND приводит к снижению производительности и надёжности. Компания NEO Semiconductor предлагает своё видение флеш-памяти нового поколения под названием X-NAND, сочетающее в себе высокую плотность хранения данных, свойственную QLC и производительность, характерную для SLC или MLC.

В классической архитектуре буферы занимают существенную часть кристалла

В своё время переход от MLC к TLC вызвал массу вопросов: да, повысить плотность хранения данных удалось на треть (три бита на ячейку вместо двух), однако это привело к необходимости использования восьми программирующих напряжений. Требования к точности работы контроллера возросли, а надёжность такой флеш-памяти, напротив, снизилась. Победить это удалось переходом от планарных технологий к 3D NAND. Но сейчас внедрение QLC и памяти с ещё более высоким числом бит на ячейку вызывает те же вопросы, ставшие ещё острее.

Внедрение более тонких техпроцессов в производстве флеш-памяти исчерпывает потенциал надёжности, достигнутый за счёт внедрения 3D NAND, и в памяти типа QLC количество циклов перезаписи падает вновь. Кроме того, производительность таких устройств часто оказывается ниже всякой критики, особенно на операциях записи. В накопителях потребительского класса такой провал компенсируется активным использованием части флеш-массива в режиме SLC, но для серьёзного применения такой подход не годится, поскольку не обеспечивает устоявшейся производительности в сценариях с постоянной нагрузкой.

X-NAND позволяет обойтись одним буфером, но в 16 раз увеличить степень параллелизма

Увеличить производительность многоячеечной NAND можно путём наращивания количества одновременно программируемых столбцов (Y-plane) — за счёт параллелизма скорость записи серьёзно повышается. Но каждый столбец требует собственного буфера записи (обычно объёмом 16 Кбайт на блок) и уже при 16 «слоях» размер кристалла такой флеш-памяти вырастает на 270%. При этом сама архитектура такова, что количество одновременно проводимых операций чтения или записи не может превышать количества буферов.

Компания NEO Semiconductor предлагает свой выход: в архитектуре X-NAND используется общий буфер. Его объём составляет те же 16 Кбайт на блок, однако на каждую страницу приходится лишь по 1 Кбайт, что позволяет избежать непрактичного «раздувания» кристалла. При этом за счёт параллелизма растёт и производительность: по заявлениям компании-разработчика, память QLC X-NAND в три раза быстрее обычной QLC на случайных операциях, а при линейной записи выигрыш составляет 14 раз.

Память QLC X-NAND может быть быстрее классической SLC NAND

В некоторых параметрах QLC X-NAND даже превосходит классическую SLC NAND, обычную служащую скоростным эталоном; особенно впечатляет скорость чтения: до 11 Гбайт/с на страницу проттив 1,6 Гбайт/с у SLC. При этом надёжность также выше: X-NAND за счёт параллелизма может не столь часто «тревожить» ячейки программирующими импульсами, меньше изнашивая их.

Сама технология, конечно, требует изменений в логике работы контроллера, однако физически адаптировать производство обычной NAND под X-NAND, как сообщает NEO Semiconductor, весьма просто: в самой структуре ячеек X-NAND изменений нет, и общий техпроцесс остаётся прежним. Следовательно, любой потенциальный партнёр компании, располагающий производством NAND, может легко опробовать технологию в действии без существенных денежных затрат.

KIOXIA — новое имя легендарной Toshiba Memory, давшей миру флеш-память

Ещё в июле прошлого года Toshiba Memory Europe заявила о смене названия на KIOXIA Europe. Новое имя получили все подразделения, ранее действовавшие под брендом Toshiba Memory.

Осенью того же года, 1 октября, был объявлен запуск нового бренда и начало деятельности компании под новым именем. А совсем недавно название KIOXIA получило официальный статус.

История у Toshiba Memory, нынешней KIOXIA, очень богатая. Достаточно сказать, что именно этой компании мы обязаны торжеством флеш-накопителей сегодня и именно она стоит у истоков столь популярного устройства, как NAND-память. Изобрёл флеш-память японский профессор Фудзио Масуока (Fujio Masuoka), начавший свою карьеру в Toshiba ещё в 1971 году. Изначально он работал над созданием памяти DRAM и разработал чип ёмкостью 1 Мбит. Довольно быстро стало понятно, что обеспечить энергонезависимость полупроводниковых устройств памяти весьма непросто.

Профессор Масуока с блеском решил эту задачу: вместо того, чтобы обеспечивать энергонезависимость каждой бит-ячейки, он предложил эти ячейки группировать. Изначально детищем Масуока стала память NOR, но настоящий прорыв случился в 1987 году, когда профессор впервые представил миру новое запоминающее устройство под названием NAND. Он надеялся, что флеш-память заменит жёсткие диски — и, как мы видим, сегодня предсказание профессора сбывается.

Профессор Фудзио Масуока, изобретатель флеш-памяти

Теперь компания KIOXIA Europe GmbH (ранее известная под названием Toshiba Memory Europe GmbH) является европейским подразделением KIOXIA Corporation, ведущего мирового поставщика флеш-памяти и твердотельных накопителей (SSDs). KIOXIA разрабатывает и производит решения по хранению данных для бизнеса и домашних пользователей:

• Твердотельные накопители для корпоративных пользователей, центров обработки данных и клиентских устройств;
• Встроенную флеш-память для автомобилей, мобильных устройств, бытовой техники и промышленности;
• Продаваемые в розницу твердотельные накопители, карты SD и microSD, флеш-накопители USB, предназначенные для использования, например, в мобильных телефонах, игровых консолях, фотоаппаратах, планшетах, ноутбуках и обычных компьютерах.

Новое имя должно помочь компании в обновлении имиджа и становлении в качестве независимого производителя. Оно ведёт своё происхождение от двух слов, японского kioku (память) и греческого axia (ценность) — и действительно, в современном мире трудно переоценить значение флеш-памяти, которая используется буквально везде, от простейших устройств до огромных центров обработки данных.

Так произносится новое имя Toshiba Memory

Новый логотип KIOXIA имеет серебристый цвет, который должен символизировать надёжность и высочайшее качество продуктов, предлагаемых компанией. Основная палитра официальных цветов KIOXIA довольно яркая, помимо серебристого, она включает в себя голубой, пурпурный, светло-зелёный, оранжевый и жёлтый цвета. Это отражает разносторонность компании и её желание применять новые технологии на благо всего общества.

Для того, чтобы отпраздновать начало деятельности под новым именем, KIOXIA запустила кампанию #FutureMemories. Первым мероприятием в рамках этой программы стал проект TEZUKA2020, посвящённый легендарному мангаке Осаму Тэдзука (Osamu Tezuka). Впервые за 30 лет его работы будут перерисованы в новом качестве с использованием технологий искусственного интеллекта, использующих флеш-массивы производства KIOXIA. Это лишь первый из примеров того, как компания меняет мир к лучшему при помощи своих технологий.