SSD diskai: kas pasikeitė per 2014 metus

Prisiminkime visus dalykus, kurie įvyko SSD rinkoje pernai, ir, remiantis atlikta retrospektyvine analize nustatykime, kokias laikmenas verta pirkti dabar ir ko tikėtis iš SSD šiais metais.

Nors personalinių kompiuterių rinkoje ir toliau, švelniai tariant, sąstingis, kompiuterių komponentų pardavimų rekordai kyla aukštyn. Tarp komponentų, kurių populiarumas, nepaisant visko, iš metų į metus tik auga, patenka ir SSD diskai. Idėja naudoti duomenų saugojimui ne magnetinius įtaisus, o energetiškai nepriklausomą atmintį nėra nauja – pirmosios laikmenos, sudarytos tik iš puslaidininkių, pasirodė praėjusio amžiaus devintajame dešimtmetyje. Tačiau SSD didelis paplitimas yra tiesiogiai susijęs su „flash” atminties gamybos technologijų plėtra, pavyzdžiui, NAND, ir tai buvo tik per pastarąjį dešimtmetį, kai tokių komponentų kaina sumažėjo iki daugumai vartotojų priimtino lygio.

Vis dėlto, dabar spartus SSD kainos mažėjimas, atrodo, atėjo į pabaigą. Pavyzdžiui, 2014 metais vartotojams skirti SSD atpigo tik 20-30 procentų, be to labiausiai pastebimas kainų sumažėjimas buvo talpiems modeliams, o populiariausių 120-128 GB talpos modifikacijų kaina beveik nenukrito.

Nepaisant to, vartotojų susidomėjimas „flash” diskais vis viena auga: SSD pardavimai per praėjusius metus išaugo beveik pusantro kartų. Atrodo, kad tik dabar atėjo laikas, kada masinis vartotojas pagaliau galėjo išbandyti visus šių duomenų laikmenų privalumus, ir pradėjo juos suvokti ne kaip kažkokią eksperimentinių technologijų rūšį, o privalomą modernaus kompiuterio komponentą. Be abejo, tai paskatino ir įvykę SSD rinkos pokyčiai, kur pirmaujančią padėtį užėmė stambios įmonės – puslaidininkių gamintojai, kurie gali suteikti pakankamą patikimumą ir aukštą mūsų gaminių kokybę, taip pat paprastas ir aiškias garantijos sąlygas.

Bet kalbėti apie SSD rinką kaip susiformavusią, dar yra per anksti. Esmė tame, kad ši sritis ir toliau patiria rimtus technologinius pokyčius, kurie gali sukelti iš esmės pakeisti nusistovėjusią realybę. Šiame straipsnyje bandysime prisiminti, kas įvyko SSD rinkoje 2014 metais ir kaip tai gali paveikti artimiausią ateitį.

Sąsajos

Prieš metus, buvome gana įsitikinę, kad 2014 m prisiminsime kaip masinio SSD diskų, kurie naudoja PCI Express sąsają, atsiradimo laiką ir jei pasiseks, progresyvų NVMe protokolą. Tačiau realybė buvo visai kitokia. Per pastaruosius metus kalbų apie SSD su PCI Express buvo daug, bet iš tiesų rinkoje neatsirado pastebimai didesnio tokių diskų pasirinkimo. Dauguma šiuolaikinių Flash diskų ir toliau naudoti sąsają SATA III su 6 Gb/s pralaidumu ir paveldėtą iš tradicinių kietųjų diskų protokolą AHCI.

Ir tai gana liūdna situacija dėl to, kad iki šiol SSD užėmė beveik visą pralaidumą, pateikiamą SATA sąsajos. Jei pažvelgti šiuolaikinių SSD į greičio charakteristikas, tai lengva pastebėti, kad nuosekliųjų operacijų greitis yra 500-550 MB per sekundę, o atsitiktinių operacijų atlikimas neviršija 100000 IOPS. Pirmuoju atveju, apribojimas yra pati SATA sąsaja, neleidžianti perkelti daugiau duomenų, o antruoju – protokolas AHCI, sulaikantis lygiagrečių komandų vykdymą ir generuoja SSD nereikalingus papildomas operacijas. Kitaip tariant, nepaisant to, kad SATA sąsaja yra aiški kliūtis tolesniam kietųjų diskų progresui, ji vis dar išlieka pagrindinė naudojama sąsaja.

Su perėjimu prie pažangesnės PCI Express sąsajos problema atsirado tada, kai niekas nesitikėjo: SSD valdiklių kūrėjai nespėjo paruošti, būtinos masiniams naujos sąsajos įdiegimui, techninės įrangos bazę. Iš tiesų, šiuo metu gaminami tik du serijiniai modeliai su pirmos kartos PCI Express valdikiais, kurie naudoja paveldima protokolą AHCI. Tai – PCIe x2-kontroleris Marvell 88SS9183 ir Samsung MDX versija PCIe x4. Be to, šie lustai naudojami tik vienetiniuose serijiniuose produktuose ir dabar parduotuvėse rasite tik du vartotojų SSD modelius su PCI Express: PLEXTOR M6e ir Samsung XP941.

Tačiau, nėra to blogo kas neišeitų į gerą. Kol valdiklių kūrėjai stabdo, reikalinga infrastruktūra palaikyti diskų sąsają PCI Express, sugebėjo ne tik atsirasti, bet ir pasiekti tam tikrą brandą. Visos dabartiniai Intel sisteminės logikos Intel rinkiniai, priskiriami devintai mikroschemų rinkinių serijai, leidžia įdiegti SATA Express ir M.2 NGFF lizdus. Abu šie variantai yra labiausiai patogūs ir standartizuoti sprendimai, skirti asmeniniuose kompiuteriuose įdiegti SSD su PCI Express sąsaja. Ir dauguma vidurinio ir viršutinio kainų diapazono pagrindinių plokščių, kurias galima įsigyti šiandien, jau turi reikiamas jungtis. Tai reiškia, kad naujos kartos diskai su iš esmės aukštesnio lygio sparta jau yra arčiau mūsų.

Liko tik sulaukti naujų valdiklių. Per pastaruosius metus buvo pristatyta keletas tokių sprendimų. Įdomiausia iš jų yra mikroschema Marvell 88SS1093, kuris oficialiai palaiko PCIe 3.0 X4 ir protokolą NVMe. Šis reguliatorius jau prieinamas mėginių forma, ir suinteresuoti gamintojai tikriausiai kuria savo sprendimus, paremtus juo. Be to, nuošalyje neliko ir Taivano kūrėjai. Pavyzdžiui, PCI Express SSD valdiklių kūrimu šiuo metu užsiima Phison ir JMicron, kurie, be abejo, greitai pasiūlys savo bazinių procesorių versijas nebrangiems kietiesiems diskams su perspektyvia sąsaja. Nereikia nurašyti ir Sandforce SF3700, kuri taip pat planuoja palaikyti skirtingų versijų PCIe 2.0.

Taigi, 2014 netapo masinės diskų gamybos su PCI Express metai, visi mūsų viltis galima lengvai perkelti į 2015. Ypač, kad galutiniai SSD gamintojai ne tik rodo savo teorinį susidomėjimą tokių produktų klausimu, bet nesėdi sudėję ir pasiūlė labiausiai nekantriems entuziastams „pereinamojo laikotarpio” galimybes – PCI Express diskus, kurie yra surinkti iš kelių SATA SSD sujungtų į RAID masyvą. Panašių pasiūlymų pastaruoju metu vis daugiau ir daugiau, ir šiuo metu paplito ASUS ROG RAIDR, OCZ Revodrive 350 ir G.Skill Phoenix Blade.

Tačiau, mes nepatariame kreipti dėmesio į šiuos ir panašius pakaitalus, skirtus patenkinti pereinamojo laikotarpio paklausą. Dėl pasenusio valdiklio Sandforce SF-2281 konstrukcijos ypatumų visi jie turi gana savotiškas našumo savybes ir esant apkrovai ne visada demonstruoja savo stipriąsias puses.

Kas iš tikrųjų gali būti vadinamas būsimų SSD rinkos pokyčių pradininku, tai Intel DC P3700 ir DC P3600 diskai. Taip, jie yra skirti naudoti duomenų centruose ir turi nehumanišką vidutiniam vartotojui kainą. Bet tai yra pirmos prieinamos laikmenos, prijungiamos per PCIe 3.0 x4 su 4 GB/s pralaidumu ir veikiančios per NVMe protokolą. Dėl to šių SSD nuoseklių operacijų sparta pasiekia 2,8 GB/s skaitymo ir 1,9 GB/s, rašymo metu, o atsitiktinių operacijų greitis pasiekia 460 ir 180.000 IOPS, skaitymo ir rašymo, atitinkamai. Tokie įspūdingi našumo skaičiai aiškiai rodo, kad nuobodu kitąmet nebus. Praeis šiek tiek laiko – ir panašus greitis bus prieinamas įprastinių stalinių sistemų vartotojams. Belieka tik truputį palaukti.

Flash atmintis

Nors išoriškai tipiški asmeninių kompiuterių kietieji diskai per pastaruosius metus, niekuo iš esmės nepasikeitė, jų vidus patyrė didelius pasikeitimus. Svarbiausia – „flash” atmintis, kuri yra bet kurio SSD pagrindas, 2014 tapo visiškai kitokia. Pakeitimai palietė ne tik naudojamus gamyboje standartus ir technologinius procesus, bet ir vidinę NAND struktūrą.

Praėjusių metų pradžioje, daugeliui SSD buvo montuojam MLC NAND, pagamintas pagal 2x nm technologinių procesų standartus. Tačiau per metus NAND lustų gamintojai, siekdami sumažinti gamybos sąnaudas perėjo į labiau subtilias technologijas, ir kai kurie itin sėkmingi tai spėjo padaryti du kartus. Iki metų pabaigos tipiniu procesu, naudojamu MLC NAND gamyboje tapti technologija su 1x nm standartu. Pavyzdžiui, 2014 metais kompanija Micron pristatė pirmąjį 20-nm, o vėliau 16 nm procesą. Įmonės Toshiba ir SanDisk įvaldė masinę lustų, padarytų pagal 19-nm technologinį procesą, gamybą o vėliau patobulino savo technologiją, sumažindami sekcijų dydį nekeičiant normos. Intel savo flash atminties lustų gamyboje ėmė remtis 20 nm technologiniu procesu. Kompanija SK Hynix sugebėjo organizuoti serijinį flash atminties, pagamintos pagal 16-nm technologiją, tiekimą. Visa tai sąlygojo tai, kad duomenų saugojimo tankis pačiuose paprasčiausiuose MLC NAND puslaidininkinių kristaluose per metus išaugo ir nuo pusantro ar du kartus.

Anksčiau pramonė visada susidurdavo su tuo, kad modernių technologinių gamybos procesų įdiegimas NAND atminties gamyboje sukelia šalutinį poveikį – mažina jos ištvermę. Tačiau pernai, ši tendencija buvo perlaužta. Nors pagrindiniai MLC NAND tiekėjai, gaminantys SSD, nustojo aiškiai deklaruoti tarnavimo laiką, tačiau netiesioginiai įrodymai parodo, kad dabartinės flash atminties perrašymo ciklų skaičius nesiskiria, palyginti su atmintimi, kuri buvo naudojama 2013 metais. Visi kokybiškai pagaminti šiuolaikiniai SSD, didesni nei ketvirtis terabaito, leidžia įrašyti apie petabaitą duomenų. Ir tai sako, kad du ar tris tūkstančius perrašymo ciklų šiuolaikinė flash atmintis gali atlaikyti.

Be to, šiuolaikiniai techprocesai – tai ne riba MLC NAND lustų miniatiūrizacijoje. Kitas žingsnis – dar subtilesnė technologija. Pavyzdžiui, labai netolimoje ateityje, tikimės, kad SSD paremtus 15 nm MLC NAND pagamins Toshiba ir SanDisk: tokia atmintis jau yra gaminama dideliais kiekiais keletą mėnesių. Tačiau, nepaisant viso to 2014 įsimins ne kaip „nm“ lenktynės, o tuo, kad paplito alternatyvūs duomenų saugojimo tankio didinimo metodai.

Visų pirma, atsiradusi 2012 metais Samsung SSD diskuose TLC NAND, galinti saugoti kiekvienoje sekcijoje ne du, o tris informacijos bitus, pagaliau pradėta naudoti ne tik šio gamintojo SSD. Po Samsung masinę trijų bitų atminties gamybą pradėjo SanDisk, kuri pradėjo naudoti tokius lustus, pagamintus su 19 nm technologija, savo Ultra II laikmenose. Žinoma, TLC NAND išlieka žymiai blogesnis variantas pagal teorinės ištvermės rezultatus, nes ji „išgyvena“ tik 500-1000 perrašymo ciklų. Tačiau šiuolaikiniai valdikliai išmoko efektyviai kovoti su šiuo neigiamu poveikiu dėl pseudo-SLC kešavimo, kuris labai efektyviai sumažina įrašo stiprinimo koeficientą. Todėl šiuolaikiniai SSD pagaminti su TLC NAND (tai Samsung 840 EVO ir SanDisk Ultra II) turi gana pakankamą vartojimo išteklių. Ir dėl to, didesnio duomenų saugojimo tankio, jie gali pasiūlyti labai konkurencingas kainas galutiniams vartotojams, tuo pačiu užtikrinant gerą pelno maržą gamintojams.

Bet svarbiausiu 2014metų „flash” atminties technologijų srities laimėjimas buvo ne tai, o trimatės atminties – 3D NAND atsiradimas. Ji keičia tradicinį atminties lusto išdėstymą, patalpindami sekcijas puslaidininkių kristale ne toje pačioje plokštumoje, o sluoksniais, t.y. aktyviai naudodami trečiąją dimensiją. Kelių sluoksnių atminties atsiradimas, nors ir neįmanomas, nedarant esminių pakeitimų technologiniame procesą, gali kartą ir visiems laikams išspręsti mastelio problemą. Su 3D NAND duomenų saugojimo tankis nereikalauja dar labiau sumažinti sekcijas, ir todėl mažina gamybos kaštus ir siūlo plačias galimybes pramonėje. Tiesą sakant, 3D NAND dabar atrodo perspektyviausia technologija. Per ateinančius kelerius metus į tokios atminties gamybą pereis visi gamintojai be išimties, pionierius šioje srityje – kompanija Samsung. Kol kas ji vienintelė gamina 3D NAND diskus.

Šiandien masiniuose Samsung asmeninių kompiuterių SSD įmanoma sutikti dviejų rūšių trimatę atmintį. Samsung 850 Pro yra naudojamas 32 sluoksnių MLC 3D NAND, o Samsung 850 EVO – trijų bitų 32-sluoksnių TLC 3D NAND. Šių diskų modelių privalumas kyla iš to, kad 32 sekcijų sluoksniai, sudėti į vertikalųjį 3D NAND lusto matmenį, išsprendžia duomenų saugojimo tankio problemą taip gerai, kad leidžia pritaikyti patikimus ir išbandytus puslaidininkių gamybos procesus. Pavyzdžiui, Samsung išleidžia savo 3D NAND su su 42 nm technologija, tačiau tokia atmintis vis viena suteikia didesnį saugojimo tankį, nei bet kuri iš plokščių MLC arba TLC NAND. Pakankamai didelis atskirų ląstelių dydis tuo pačiu metu suteikti ilgesnę jų naudojimo trukmę: trimatė technologija – tai tikras atradimas padidinantis atminties ištvermę. Pavyzdžiui, Samsung 850 EVO diskams, su trimate trijų bitų atmintimi, gamintojas suteikia penkerių metų garantiją, leidžiant rašyti 82 GB duomenų kasdien. Samsung 850 Pro su dar patikimesne dviejų bitų atmintimi, ir turi beveik serverio resursą ir parduodamas su dešimties metų garantija.

2015 metais, po Samsung išleisti 3D NAND planuoja pradėti Micron ir Intel. Masinės tokių lustų gamyba yra numatyta antrajam pusmečiui. Toshiba ir SanDisk, be abejo, prisijungs prie 3D NAND pasekėjų šiek tiek vėliau, jų planai sako, kad pereiti prie iš esmės naujos struktūros atminties pavyks 2016 metais. Maždaug tuo pačiu laikotarpiu, turėtų prisijungti ir SK Hynix: įmonė jau turi 3D NAND pavyzdžius, bet masinės gamybos pradžia reikalauja didelių kapitalo investicijų.

Valdikliai

Jei atminties gamintojų gyvenimo virė, tai kūrėjai SSD valdiklių kūrėjai pernai niekuo įsimintinu nenudžiugino. Šiuolaikiniai SSD diskai pasiekė SATA sąsajos galimybių viršūnę, todėl SATA valdiklių gerinimas prarado bet kokią prasmę, o pasirodžius Flash diskams, naudojantiems PCI Express sąsają, netikėtai atsirado kliūčių. Dėl to ryškiausias įvykis SSD valdiklių pasaulyje nebuvo kokia nors nauja aparatinės įrangos platforma, o tai, kad trečiosios kartos Sandforce lustai per pastaruosius metus nepasirodė.

Sandforce SF3700 valdiklių šeima buvo pristatyta 2013 metų pabaigoje, tačiau rastos jų konstrukcijos problemos privertė atidėti serijinę gamybą. Greitam apriktų defektų pašalinimui trukdė tai, kad Sandforce komanda pradėjo perėjimą iš rankų į rankas, ir dėl organizacinės painiavos, naujų SF3700 lustų pasirodymas, geriausiu atveju, nutolo daugiau nei metus – į pirmąjį 2015 metų pusmetį. Ir tai, kadangi Sandforce galiausiai tapo Seagate dalimi, neaišku, ar aplamai pamatysime flash diskų su SF3700 įvairovę – arba jie bus naudojami tik patronuojančios bendrovės produkcijoje.

Deja, visa ši istorija buvo beveik pakirtusi didelę antrojo ir trečiojo ešelono SSD gamintojų armiją, kuri noriai naudojo savo gamyboje Sandforce valdiklius, platintus pagal labai patogią schemą. Bet, laimei, į nišą, kuri buvo okupuota vis labiau senstančio valdiklio SF2200, praėjusiais metais sugebėjo patekti ambicingi kinai – įmonės Phison ir Silicio Motion. Abi bendrovės siūlė laiku SSD surinkėjams pasiūlė savo sprendimus, kurie, nors ir nepasižymi geriausiomis greičio savybėmis, bet su minimaliomis inžinerijos išlaidomis leidžia sukurti gana gerus žemesnės kainos diskus. Kitaip tariant, 2014 atradimu tarp valdiklių tapo Phison PS3108-P8 ir Silicon Motion SM2246EN, kurie pateko į gamintojų, tokių kaip ADATA, Corsair, Kingston, Kingmax, PNY, Silicon Power, SmartBuy ir Transcend produkciją. Šie du valdikliai tapo vertais Sandforce įpėdiniais: jie pagimdė visą galaktika pigių naujovių, kurios labai padėjo SSD populiarumo augimui praėjusiais metais.

Galinguose ir, žinoma, brangiuose Flash Drive modeliuose valdikliai praėjusiais metais beveik nepasikeitė. Įmonė Marvell, gaminanti šiuo metu geriausius SSD procesorius, ir toliau tiekia savo flagmaną 88SS9187, papildę naują seriją analogišku 88SS9189, turinčiu šiek tiek didesnį energijos vartojimo efektyvumą. Nepaisant to, naujų valdiklių nebuvimas didelio našumo SATA SSD netapo viršutiniame kainų segmente stagnacijos priežastimi. Senų Marvell valdiklių galia buvo tokia gera, kad juos naudojantys gamintojai galėjos sukurti naujus produktus, pastebimai pagerinę greičio rodiklius vien optimizavę programinę įrangą. Tokių naujovių yra bent trys: Crucial M550, SanDisk Extreme Pro ir Plextor M6 Pro.

Nepagerino savo valdiklių ir tie SSD gamintojai, kurie naudoja savo pačių kuriamas platformas. Samsung gyveno pastaruosius metus, į visus savo naujus produktus integruodami, 2013 metų valdiklį MEX, bet nė kiek neprarado našumo ir produktų statuso. Neatnaujino savo flagmano Indilinx Barefoot 3 ir kompanija OCZ.

Tačiau kontrolierių situaciją reikėtų laikyti ne sąstingiu, bet tik laikina tyla prieš audrą. Šiuo metu, mes esame SATA SSD evoliucijos pabaigos liudininkai, o naujos kartos valdikliai bus orientuoti PCI Express naudojimui.

Tokių sprendimų, skirti naudoti stalinių kompiuterių SSD diskuose, rengiama daug ir įvairių. Be anksčiau minėtų lustų Marvell 88SS1093 ir Sandforce SF3739, šiais metais taip pat tikimės, kad OCZ Jetstream Express ir naujo PCI Express valdiklio iš Samsung.

Gamintojai

Praėję metai buvo pažymėti galutiniu SSD rinkos perskirstymu. Didėjant SSD paklausai šioje rinkoje vis daugiau ir daugiau stambių gamintojų rodo susidomėjimą, ir todėl pirmaujančias pozicijas galėjo užimti tos bendrovės, kurios pačios kuria flash atmintį. Tai suprantamas procesas: padidėjusi konkurencija reiškia, kad pelno normą reikia sumažinti ir lustų NAND, kuri yra pagrindinė sudedamoji SSD dalis, kūrėjai turi daug daugiau erdvės manevruoti lanksčia kainodara.

Dėl to pirmaujančias pozicijas dabar Samsung, SanDisk, Intel, Toshiba ir Micron. Samsung ir SanDisk turi apie ketvirtą dalį kiekvienoje rinkoje, o Intel, Toshiba ir Micron užimama dalis svyruoja nuo 5 iki 10 procentų. Taigi, iš viso, šios penkios įmonės, turinčios atskirą NAND atminties lustų gamybą, valdo tris ketvirtadalius rinkos, o jų pozicijos ir toliau gerėja. Tos įmonės, kurios yra antrajame ir trečiajame SSD tiekėjų ešelone, pagal aplinkybes, turi tenkintis labai siauromis nišomis.

Pavyzdžiui, OCZ, kuris prieš kelerius metus, pagrįstai buvo laikomas labai stambaus kalibro SSD diskų gamintoju, šiandien užima mažiau nei vieno procento rinkos dalį. Žinoma, katastrofiškas OCZ produktų populiarumo mažėjimas daugiausia įvyko dėl finansinių problemų ir reorganizavimo, kuriuos patyrė ši bendrovė. Tačiau tokie procesai palietė be išimties visus, SSD tiekėjus, kurie neturi savo puslaidininkių gamyklos. Ir pagrindinis klausimas 2015 metais tokioms įmonėms nebus lyderystė, o tik banalus išlikimas.

Vienintelis SSD iš trečiųjų šalių dalių gamintojas, kuris vis dar sugeba išlaikyti savo poziciją yra Kingston. Nepaisant to, kad Kingston negamina jokios” flash „atminties arba valdiklių, bendrovei ir toliau priklauso apie 10 procentų rinkos dalis. Čia Kingston padeda per daugelį metų uždirbta reputacija, taip pat daug sutarčių su mobiliųjų asmeninių kompiuterių surinkėjais.