Category: технологии

Category was added automatically. Read all entries about "технологии".

Эволюция носителей информации, часть 4: твердотельные накопители

Это заключительная часть нашего материала об эволюции носителей информации. И сегодня речь пойдет о флеш-памяти и твердотельных накопителях — об их прошлом, настоящем и будущем.



Флеш-память была создана задолго до появления первого флеш-накопителя. Отцом флеш-памяти считается инженер компании Toshiba Фудзио Масуока, чье изобретение было представлено в 1984 году на конференции IEEE в Сан-Франциско. Кстати, само название «flash» придумал коллега Масуоки – Сёдзи Ариидзуми. Процесс удаления данных из такой памяти напомнил ему фотовспышку (от англ. flash – вспышка).
[Далее >>>]



В основе работы флеш-памяти лежит изменение и регистрация электрического заряда в изолированной области полупроводниковой структуры. Существует несколько типов флеш-памяти. Первым коммерческим продуктом стала флэш-память типа NOR, которую разработала компания Intel. Это случилось в 1988 году.


В конструкции NOR-флеш используется классическая двухмерная матрица проводников, в которой на пересечении строк и столбцов располагается одна ячейка. Преимущество такого дизайна состоит в том, что он позволяет моментально читать состояние конкретной ячейки, подавая положительное напряжение на соответствующую строку и столбец.

В 1989 году компания Toshiba представила флеш-память типа NAND. Главным отличием NAND-флеш от NOR-чипов заключалось в том, что в конструкции NAND использовался трехмерный массив, а не двухмерная матрица. Другими словами, если в NOR на пересечении строк и столбцов располагалась только одна ячейка, то в NAND их могло быть несколько.


Естественно, так же легко получить доступ к конкретной ячейке, как в NOR, теперь было невозможно, и алгоритм чтения информации значительно усложнился. Тем не менее такой подход позволил создать более вместительные чипы памяти. В современных флешках и твердотельных накопителях используется именно NAND-память. Ну а NOR-чипы нашли применение в тех областях, где ёмкость не играет ключевую роль – например, в автомобильной электронике.

Долгое время элементарная ячейка могла хранить лишь один бит информации. Такая ячейка называется одноуровневой (SLC, single-level cell). Затем появились многоуровневые ячейки с двухбитной разрядностью (MLC, multi-level cell). Наконец, были разработаны трехуровневые ячейки памяти (TLC, triple-level cell). Такие ячейки выгодно отличаются от MLC своей дешевизной. Так, стоимость 1 Гбайт TLC-памяти в 2015 году составила всего $0,4. Обратной стороной памяти с трехуровневыми ячейками является её низкая скорость записи и меньший в сравнении с MLC ресурс.


Однако вернемся к твердотельным накопителям. Как это ни странно, но первый SSD-девайс был представлен в 1976 году — на 8 лет раньше, чем флеш-память. Он был разработан компанией Dataram и носил название Bulk Core.

Многие ошибочно полагают, что в основе любого SSD-накопителя лежит флеш-память, однако это не так. Свое название SSD (Solid State Drive) они получили потому, что в их конструкции не было подвижных элементов.

Конструкция Bulk Core состояла из специального шасси размером 19x15,75 дюймов и расположенных на нем 8 планок RAM-памяти объемом 256 Кбайт каждая. Таким образом, емкость устройства составляла 2 Мбайт. Приобрести Bulk Core можно было за $9700.


Спустя 2 года с момента появления Bulk Core последовал выпуск устройства под названием STC 4305. Накопитель был разработан компанией StorageTek. STC 4305 был размером с целую комнату и мог хранить 45 Мбайт информации. Пропускная способность составляла 1,5 Мбайт/с, что было примерно в 7 раз выше аналогичного показателя жесткого диска IBM 2305. Но и цена инновационного SSD-накопителя была соответствующей: STC 4305 оценивался в $400 тыс.


В 1982 году компания Axlon представила линейку твердотельных накопителей, предназначенных для использования с компьютерами Apple. Устройства получили название Apple II RAMDisk. Из названия становится ясно, что эти накопители использовали RAM-память. Их емкость была не столь внушительна: самой популярной стала версия с 320 Кбайт памяти. Кстати, чтобы предотвратить потерю информации, в комплекте с накопителем поставлялась и подзаряжаемая батарея.


В 1988 году компания Intel представила первые коммерческие чипы флэш-памяти типа NOR. Именно они использовались в первом SSD-накопителе с флеш-памятью – Flashdisk, который был разработан компанией Digipro и выпущен в конце 1988 года. Flashdisk предназначался для использования в компьютерах IBM PC и мог хранить до 16 Мбайт данных. На тот момент стоимость накопителя составляла $5000.

Годом позднее израильская компания M-Systems также представила SSD-накопитель на основе NOR флеш-памяти, но это был только опытный образец. Долгое время израильские инженеры дорабатывали устройство, и только в 1995 году компания сумела выпустить коммерческий SSD-накопитель. Это была модель FFD-350 (Fast Flash Disk), выполненная в привычном для нас форм-факторе 3,5". Максимальный объем накопителя составлял 896 Мбайт, хотя выпускались даже 16-мегабайтные версии. Работал FFD-350 через интерфейс SCSI. Стоимость такого устройства достигала нескольких десятков тысяч долларов, поэтому FFD-350 нашел применение только в авиационной и военной отраслях. На протяжении следующего десятилетия M-Systems расширяла линейку устройств FFD, выпуская новые накопители с улучшенными характеристиками.


Долгое время флеш-память была достаточно дорогим удовольствием. Однако в начале 2000-х годов стоимость её производства значительно упала. Этим воспользовалась компания Transcend, которая в 2003 году выпустила модули флеш-памяти, подключаемые через интерфейс Parallel ATA. Емкость такого накопителя составляла от 16 до 512 Мбайт. Цены на эти устройства начинались от отметки $50, что сделало модели Transcend доступными для обычных пользователей.


Начало бурному росту рынка твердотельных накопителей положила компания Samsung, выпустив в 2006 году 2,5" накопитель емкостью 32 Гбайт и стоимостью $699. Её примеру последовала и компания SanDisk, представившая 32-гигабайтный 2,5" накопитель с интерфейсом SATA.


Кроме этого, в 2006-2007 годах наконец-то удалось решить проблему малого количества перезаписей флеш-памяти. Это позволило рассматривать твердотельные накопители как полноценную альтернативу жестким дискам.


В последующие годы рынок SSD-накопителей стремительно развивался. Выпуском устройств занялось огромное количество производителей. Так, компания OCZ впервые показала твердотельные накопители собственного производства на выставке CES в начале 2008 года.


Стремительно росли и характеристики накопителей: они становились все более вместительными и быстрыми. В связи с этим многие производители задумались о переходе на более быстрый интерфейс. Так появились первые SSD-накопители с интерфейсом PCI Express, в частности, Fusion-io ioDrive Duo.


На сегодняшний день вопрос об интерфейсе стоит особенно остро. Главная проблема интерфейса SATA состоит в том, что производительность современных твердотельных накопителей стала настолько высока, что пропускной способности этой шины (а она составляет 600 Мбайт/с) попросту не хватает для того, чтобы полностью раскрыть потенциал SSD-девайсов. Для сравнения: только две линии PCI Express 3.0 обеспечивают эффективную пропускную способность 1560 Мбайт/с, что почти в 3 раза выше аналогичного показателя SATA.

Вместе со сменой интерфейса планируется и переход на новый протокол NVMe, который должен заменить устаревший AHCI. Использование NVMe позволит снизить латентности и обеспечит более быструю реакцию накопителя на команды, поскольку протокол изначально «заточен» под многопоточную работу с данными.


Многие ожидали, что именно в 2015 году состоится массовый переход от интерфейса SATA к PCI Express, однако этого не произошло. Внедрению новых технологий производители предпочли ценовую войну, результатом которой стало достижение рекордно низкой стоимости 1 Гбайт флеш-памяти — $0,4.


2015-й год также ознаменовал собой начало перехода на технологию трехмерной памяти 3D V-NAND (Vertical NAND). Её суть заключается в том, что ячейки памяти располагаются не только планарно, но и слоями. Это позволяет увеличить емкость, не изменяя при этом индивидуальных размеров ячеек памяти. Интересен тот факт, что производство флеш-памяти 3D V-NAND не требует использования новейших технологических процессов. Например, компания Samsung использует в производстве 3D V-NAND 40 нм техпроцесс. Объем чипов Samsung достигает 256 Гбит, при этом ячейки расположены в 48 слоев.


К сожалению, на сегодняшний день Samsung — единственная компания, имеющая в своем арсенале твердотельные накопители, использующие данную технологию. Тем не менее, в наступившем году у южнокорейской компании обязательно появятся конкуренты. О своих планах по выпуску 3D V-NAND памяти объявили альянс Micron и Intel, компании SK Hynix и Toshiba. Причем в производстве многослойной TLC флеш-памяти Toshiba будет использовать собственную технологию 3D BiCS NAND (Bit Cost Scalable), которая позволит сделать чипы меньше и дешевле конкурентов.


Кроме этого, не стоит забывать и о том, что в 2016 году должна увидеть свет новая технология 3D XPoint, разработанная все тем же альянсом Micron Intel. Информации о технологии пока что не так много.


По словам разработчиков, в основе технологии будет лежать изменение сопротивления материала, располагающегося между проводниками, что обеспечит памяти сверхвысокую скорость чтения и записи. Помимо всего прочего, они обещают, что память 3D XPoint будет в 1000 раз устойчивее к износу, а также при использовании PCI Express и протокола NVMe будет обладать в 10 раз меньшей латентностью, чем флеш-память NAND. Устройства с памятью 3D XPoint получат название Intel Optane и будут использовать в центрах обработки данных.

На этом мы завершаем наш цикл статей об эволюции носителей информации. Но впереди будет еще много интересного! Следите за обновлениями.

© OCZ Storage Solutions

Часть 1: перфокарты, магнитные пленки, дискеты
Часть 2: оптические накопители
Часть 3: жесткие диски
Часть 4: твердотельные накопители

Эволюция носителей информации, часть 2: оптические накопители

Вторая часть материала об эволюции носителей информации.
Напомню, что в
первой статье мы рассказали о первых запоминающих устройств – перфокартах, а также уделили внимание магнитным плёнкам и дискетам. Сегодня же речь пойдет о более привычных для нас девайсах, а именно — об оптических накопителях.



Когда на дворе стоял 1969 год, компания IBM еще упорно трудилась над созданием первой дискеты, а инженеры голландского производителя электроники Philips уже завершали работу над оптическим носителем под названием LaserDisc. Многие ошибочно полагают, что LaserDisc был первой в мире технологией оптической записи, однако это не совсем так. За 10 лет до этого события, в 1958 году, братья Пол и Джейм Грегг уже создавали похожую технологию. Отличие этих оптических носителей заключалось в том, что разработка братьев Греггов работала в режиме пропуска света, тогда как технология Philips использовала отраженный свет.


В 1961 году Грегги запатентовали свою технологию, но так и не смогли сделать из нее коммерческий продукт, впоследствии продав права на оптический носитель компании MCA в 1968 году. Philips и MCA посчитали, что конкуренция им ни к чему, и решили объединить свои усилия. Плодом их работы стал коммерческий запуск LaserDisc в 1972 году.



К моменту появления Laserdisc кассетные форматы VHS и Betamax уже снискали успех. Несмотря на то что Laserdisc имел множество преимуществ над кассетами, он так и не смог стать востребованным. В Европе его встретили довольно прохладно, и основными для этой технологии стали рынки США и Японии. Первым фильмом, выпущенным на носителе Laserdisc, были «Челюсти». Это случилось в 1978 году. А последним – картина «Воскрешая мертвецов» в 2000 году. Интересно, что производство Laserdisc проигрывателей продолжалось вплоть до 2009 года, когда компания Pioneer выпустила последнюю партию таких девайсов.



Намного более успешной альтернативой Laserdisc стал стандарт Compact Disc (CD), выпущенный в 1982 году. Разработкой этого формата занимался альянс компаний Sony и Philips. Изначально предполагалось, что компакт-диски будут использоваться только для хранения аудиозаписей в цифровом виде, однако со временем их начали использовать для хранения файлов любых типов. Во многом это стало возможным благодаря усилиям компаний Apple и Microsoft, которые начали устанавливать CD-приводы в свои компьютеры с 1987 года.

Что касается устройства компакт-диска, то оно достаточно простое. Сам CD представляет собой поликарбонатную подложку, которая покрыта тонким слоем металла. Этот слой защищен лаком, на который наносятся изображения, надписи и другие внешние опознавательные знаки диска.



Информация, записанная на компакт-диск, имеет вид спирали из углублений, или «питов», нанесенных на обратную поверхность диска. Размер одного пита обычно составляет около 500 нм в ширину и от 850 до 3500 нм в длину. При этом глубина пита достигает отметки в 100 нм. Расстояние от каждого пита до соседних обычно равняется около 1,6 мкм. Это расстояние называется лэндом. Считывание информации с компакт-диска происходит с помощью лазерного луча, который образует световое пятно с диаметром около 1,2 мкм, что на 0,4 мкм меньше расстояния между соседними питами. В том случае, если луч «упирается» в лэнд, приемный фотодиод фиксирует сигнал максимальной интенсивности и распознает его как логическую единицу. При попадании лазера на пит, свет рассеивается и поглощается, а затем он отражается от поликарбонатной подложки. В таком случае фотодиод фиксирует свет меньшей интенсивности, и он распознается как логический нуль.


Долгие годы после появления CD его максимальный объем держался на отметке 650 Мбайт. На диске такой ёмкости можно было хранить около 74 минут качественного аудио. Лишь в 2000-х объем CD увеличился до 700 Мбайт. Также в продаже можно было найти 800-мегабайтные «болванки».


Когда технология CD только появилась, компакт-диски предназначались только для чтения: еще на стадии производства информация записывалась на диск путем нанесения питов на подложку. И уже затем поверх подложки наносился отражающий слой и защитный лак. Однако вскоре после появления CD пользователям захотелось самим записывать на диски информацию. Это подтолкнуло Philips и Sony на разработку стандарта CD-R (Compact Disc-Recordable). Так, первые компакт-диски, предназначенные для однократной записи, появились в 1988 году.


По своей конструкции диски CD-R отличались от предшественников лишь наличием еще одного слоя между подложкой и отражателем. Это слой был изготовлен из органического прозрачного красителя. У красителя было интересное свойство: под воздействием тепла он разрушался и темнел. Собственно, эти физические характеристики органического слоя и позволили реализовать возможность записи информации на диск. Во время записи лазер специального пишущего привода менял свою мощность, выжигая в слое красителя отдельные точки. При последующем чтении эти потемневшие зоны воспринимались фотодиодом как питы, или логический нуль.

Как уже говорилось выше, записать информацию на диск CD-R можно было лишь однократно. И это было главным недостатком этого формата. Многократная запись информации стала возможна в 1997 году с выходом стандарта CD-RW (Compact Disc-Rewritable).


Конструкция CD-RW полностью совпадала с устройством CD-R, за исключением слоя между подложкой и отражателем. На смену органическому красителю пришел неорганический активный материал – сплав халькогенидов. Так же как и органическое вещество, под воздействием мощного лазерного луча сплав темнел. Затемнение происходило в результате перехода вещества из кристаллического агрегатного состояния в аморфное. В отличие от органического вещества, сплав халькогенидов мог возвращаться в исходное кристаллическое состояние, что и обеспечило возможность многократной записи на диск.

За год до появления формата CD-RW свет увидели диски стандарта DVD (Digital Versatile Disc). История создания DVD довольно занимательна. Она берет свое начало в начале 90-х годов, когда компании Philips и Sony занимались разработкой технологии MMCD (Multimedia Compact Disc), а альянс, в который входили компании Toshiba, Time Warner, Hitachi, Pioneer и некоторые другие, трудились над созданием стандарта SD (Super Density). Обе коалиции активно рекламировали свои технологии, но под давлением компании IBM, в которой опасались повторения «войны форматов» между VHS и Betamax, они пошли на компромисс. Так появилась технология DVD.


Особенностью формата DVD было то, что первоначально он разрабатывались как замена устаревающим видеокассетам. Поэтому первое время аббревиатуру DVD было принято расшифровывать как Digital Video Disc. Однако позже оказалось, что DVD-диски идеально подходят для хранения любого рода данных, и предыдущее название быстро сменили на Digital Versatile Disc.


По своей конструкции DVD-диск не так сильно отличается от предшествующего стандарта CD. В технологии DVD уменьшился размер питов, поэтому для чтения таких дисков стало возможным использование красного лазера с длиной волны 635 или 650 нм. Для сравнения: чтение CD-дисков осуществлялось лазером с длиной волны 780 нм. Кроме этого, дорожки питов стали располагаться ближе друг к другу. Это позволило значительно увеличить плотность записи, и по итогу однослойный DVD вмещал 4,7 Гбайт данных – в 6,5 раз больше, чем CD. Также нужно отметить, что конструкция DVD предусматривает использование двух пластин толщиной 0,6 мм каждая вместо одной 1,2-миллиметровой у CD. Благодаря этому появилась возможность записывать информацию на DVD в два слоя – в обычный нижний слой и в верхний полупрозрачный.


Для того чтобы считать информацию с двухслойного диска лазеру требовалось менять фокусировку путем изменения длины волны. Главным преимуществом таких «болванок» стал вдвое увеличенный объем – 8,5 Гбайт. Кроме этого, спустя некоторые время появились двухсторонние DVD-диски, в том числе и двухслойные. Емкость таких девайсов достигла внушительных 17 Гбайт.

В 1997 году в продаже появились первые диски, предназначенные для однократной записи информации. Они получили маркировку DVD-R. А уже в 1999 году в продаже можно было увидеть девайсы DVD-RW, на которые информацию можно было записывать многократно. При создании этих двух форматов использовались те же принципы, что лежали в основе CD-R и CD-RW дисков: между подложкой и отражателем располагался слой органического или неорганического вещества, который под воздействием лазера умел имитировать питы.

Оба эти стандарта, DVD-R(W) были предложены альянсом DVD Forum. Кроме них, эта организация также разработала формат DVD-RAM, который выгодно отличался от DVD-RW более высокой скоростью чтения и большим количеством циклов перезаписи (до 100 тысяч, тогда как DVD-RW диск можно было перезаписать лишь 10 тысяч раз). Однако формат DVD-RAM не был совместим с DVD-RW, и поэтому обычные DVD-приводы не умели читать такие диски. По этой причине технология не получила особого распространения.



В 2002 году компании Sony и Philips, которые не входили в организацию DVD Forum, представили обратно совместимую с DVD-R(W) технологию DVD+R(W). От «минусового» варианта новый формат отличался разметкой, которая значительно упрощала позиционирование считывающей головки, и иным материалом отражающего слоя. Кроме этого, на DVD+R(W) информация записывалась поверх старой, как на видеокассеты, тогда как для записи на DVD-R(W) требовалось предварительно стереть все имеющиеся на диске данные. Это также положительно сказалось на скорость записи DVD+R(W) девайсов.


На этом потенциал технологии DVD был исчерпан, и следующим шагом в индустрии стал выпуск оптических накопителей нового поколения: Blu-ray и HD DVD. Они увидели свет в 2006 году. Формат Blu-ray был разработан консорциумом Blu-ray Disc Association, в который входили такие крупные компании, как Sony, Panasonic, Samsung, LG и многие другие. А созданием технологии HD DVD занимались японские производители: NEC, Toshiba и Sanyo. Оба формата использовали сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм, что позволило в очередной раз значительно увеличить ёмкость дисков. Так, однослойный Blu-ray диск вмещает в себе 25 Гбайт данных, а HD DVD – 15 Гбайт.


В целом, характеристики Blu-ray и HD DVD были очень схожи. Но американские киностудии дали понять, что они не будут поддерживать обе технологии одновременно. «Война форматов» продлилась два года. За это время подавляющее большинство киностудий отдали предпочтение стандарту Blu-ray, и в феврале 2008 году компания Toshiba объявила о прекращении разработки и дальнейшей поддержки HD DVD.


С тех пор Blu-ray остается единственным игроком на рынке оптических накопителей. За это время появились диски BD-R и BD-RE для однократной и многократной записи. Кроме этого, в 2009 году была представлена технология Blu-ray 3D, предназначенная для хранения и воспроизведения трехмерного видеоконтента. А в начале следующего года состоится запуск первых 4К-фильмов на оптических дисках формата Ultra HD Blu-ray. Новый стандарт обеспечивает поддержку разрешения 3840x2160 пикселов, звуковых форматов Dolby Atmos и DTS:X, технологии HDR и высокой частоты развертки (до 60 кадров в секунду). Емкость таких дисков составит 50, 66 или 100 Гбайт.

© OCZ Storage Solutions

Часть 1: перфокарты, магнитные пленки, дискеты
Часть 2: оптические накопители
Часть 3: жесткие диски
Часть 4: твердотельные накопители