סמסונג מוכיחה שוב כי טכנולגית הפלאש בגיבוי פטנט VNAND מקדימה את השוק ונותנת יתרונות על פני הדיסק הקשיח

מדוע גרסת ה-3 של אחסון הבזק בעל שלוש רמות, הידוע כאחסון ההבזק של האיש העני, יחליף את רוב אכסוני ההבזק מרובי הרמות היוקרתיים?

הקלטה ושיתוף מידע, הינם מהותיים לקידום החברה, והם מהווים תופעה אשר נראה כי הלקוחות קיבלו ברצון שקשה לספק. אין ספק כי המצאת הכתב, הנייר, נייר העיתון, המחשבים, האינטרנט, ועתה, האינטרנט הנייד, הביאו לקפיצות גדולות בטכנולוגיה. עם התקשרויות ומשתמשים רבים יותר, מהירויות אולטרה-גבוהות, ווידיאו בכל מקום, מצופה כי ב-2018 יעובדו 190 אֶקְסָה-בייטס (1018 בייטס, או ביליון גיגה-בייטס) בשנה אחת ויחידה [1]. על מנת לסבר את העין, אריק שמיט, בהיותו מנכ”ל גוגל, קבע כי “5 אקסה-בייטס הינם כלל כמות הנתונים אשר נוצרה בין שחר התרבות ו-2003”. בתקופות מאוחרות יותר, הופעת התקשורת החברתית חוללה גידול בלתי נתפס בדרישה לאחסן ולשתף מידע, בנוסף לזה אשר נצפה רק שנים אחדות קודם. אתרים פופולריים, כגון YouTube, שינו, בעצם, את האוכלוסייה הכללית מלקוחת תוכן למחוללת תוכן. למעשה, ל-YouTube מועלים בחודש אחד יותר קבצים מאשר שלוש הרשתות הגדולות יצרו ב-60 שנה [2]. בעקבות זאת, הצורך באחסון טכנולוגיית מידע גדל באופן אקספוננציאלי – הוא צפוי לגדול פי יותר מ-20 בעשור שבין 2011 ו-2020.

אמצעי אחסון
עם התפוצצות המידע והגידול המתמיד בדרישה למידע, מציאת אמצעי אחסון יעיל, הפכה עוד יותר חשובה. מדיה מגנטית מסתובבת שירתה את תעשיית המחשבים כאמצעי אחסון במשך עשורים, אך היא הפכה לצוואר בקבוק כששאר מערכת המחשבים הפכה למהירה יותר. קיימים שלושה רכיבים המכתיבים את מהירותה של מערכת מחשבים: המעבד – CPU, הזיכרון, והאחסון. בעוד המעבד והזיכרון הינם רכיבי חומרה אשר ביצועיהם גדלו בצורה אקספוננציאלית, האחסון הספרתי (הדיגיטלי) עוכב על ידי המהירות הפיזית של הדיסקים המסתובבים. על ידי מעבר לאחסון במצב מוצק, אנו סוגרים סוף-סוף את הפער הקיים בנושא המעבדים והזיכרון.
בעשר השנים האחרונות, נצפה גידול מרשים בשימוש באחסון מבוסס-הבזק (NAND), המצוי עתה על סף תפיסת מקום מרכזי ביישומי לקוח-מחשב ומרכזי נתונים. גידול זה בהשמה, נובע משיפורים בטכנולוגיה כמו גם מיחס עלות-יעילות טוב יותר. במקרים רבים, הדחיפה המשמעותית ביותר אשר ניתן להעניק למחשב שלנו, הינה לשדרג את הדיסק הקשיח לכונן מצב מוצק (SSD). יצרני ציוד מקורי של מחשבים אישיים שמו לב לכך, והם מספקים עתה אפשרויות של כונן מצב מוצק ברבות מהצעותיהם לנוטבוק (notebook).

יתרונות כונן מצב מוצק

אז מה הם האיפיונים של כונן מצב מוצק המעניקים להם כזה יתרון על מדיה מסתובבת מגנטית? הסיבה העיקרית היא העדר חלקים נעים. מדיה מגנטית, אם בצורת דיסק הניתן להסרה או תקליטים קבועים בתוך כונן דיסק קשיח, זקוקה לסיבוב להזזת שטח האחסון על גבי ראש קורא/כותב. יש מגבלה למהירות בה אפשר להזיז מדיה באופן פיזי, אשר הינה איטית בסדרי גודל מהאפשרות לגישה למידע באמצעות אותות בהתקני מצב מוצק. לסילוק הדיסק המסתובב, יש מספר יתרונות, הכוללים:
1. ביצוע מהיר, מתמשך, ואף אחיד יותר, כיוון של מערכת הקובץ אינה נקטעת לאורך זמן
2. אמינות משופרת – לפריטים מכניים יש שיעור תקלות גבוה בסדר גודל בהשוואה להתקני מצב מוצק
3. עמידות משופרת – דירוג ההלם טוב יותר פי 4 מזה של מערכת מכנית
4. צריכת כוח מוקטנת – חלקים מכניים בכוננים קשיחים דורשים אנרגיה רבה הרבה יותר לפעולה
5. חום נמוך יותר, מכאן שאין צורך במאווררים לקירור
6. חתימה פיזית קטנה יותר

אם כך, מדוע אחסון מצב מוצק לא סילק לחלוטין אחסון מגנטי? החסם העיקרי הינו העלות. כפי שאפשר לראות בתמונה 1.2 להלן, עלות אחסון ההבזק ירדה בצורה דרמטית במשך השנים האחרונות. אנו מתקרבים במהירות לקו חוצה היכן שכוננים מצב מוצק מוכחים כחסכוניים יותר מכוננים קשיחים מנקודת מבט של עלות בָעָלות כוללת. תמונה 1.3, אשר הובאה מ-Wikibon, מראה כי כאשר מביאים בחשבון גורמים כמו כוח, אחזקה ושטח, עלות כונני מצב מוצק למשך 4 שנים תהיה חסכונית יותר מזו של הכוננים הקשיחים במרכזי הנתונים, זאת, החל מ-2016.

אתגרי הכונן הקשיח
כתעשייה, התקן זיכרון מבוסס הבזק ירד בעלותו עקב הגדלת צפיפות הביטים. הגדלת כמות הביטים המותקנים בשבב סיליקון, גורמת להקטנת העלות לביט. הגיאומטריה של התהליך הצטמצמה עתה לאמצע תחום ה-10 נ”מ. על מנת לסבר את העין, תחום ה-10 נ”מ הינו בערך אלפית העובי של שערת אדם. אך ככל שדוחסים תאי זיכרון, כך גדלה ההפרעה מתא לתא. דבר זה מביא אותנו להתבוננות קרובה יותר באתגר העיקרי הקשור לזיכרון מבוסס הבזק: סיבולת.
סיבולת, כאן, פירושה מספר הפעמים הכולל של כתיבה מחדש על כונן מצב מוצק. בכל פעם שמשתמשים בזרם חשמלי לתכנות תא זיכרון, מצב המבנה מורע מעט. הגורמים שלהלן, בעיקר, קובעים את הסיבולת:
1. הגיאומטריה של התהליך – ככל שהגיאומטריה של התהליך קטנה, כך יש פחות אלקטרונים זמינים להחזקת המטען לקביעת הנתונים המוחזקים (כמו גם יותר הפרעות מתא לתא העלולות להוביל להשחתת מידע)
2. מספר הביטים לתא זיכרון – החזקת יותר ביטים בתא זיכרון, מביאה לצפיפות זיכרון גדולה יותר, אך דבר זה גורם לצורך לעשות אבחנה דקה יותר בין רמות מתח על מנת לקבוע את הנתונים המוחזקים למעשה
3. קושחה לניהול אחסון ההבזק
א. פיזור אחיד של בלאי – פיזור יעיל ואחיד של מחזורי תכנות / מחיקה על גבי ה-NAND הזמין על מנת להאריך את חיי הכונן
ב. ניהול גוש פגום וקוד תיקון שגיאה – שימוש בביטי זוגיות לפיצוי על ביטים כושלים
כפי שציינו כבר, התעשייה נמצאת עתה באמצע תחום ה-10 ננו-מ’ של הגיאומטריה של התהליך עבור זיכרון NAND. אנו מתקרבים לגבול פיזי הנגרם עקב הפרעות פנים-תאיות כמו גם למספר האלקטרונים הזמינים להחזקת מטען בגיאומטריות קטנות אלו. אך כל אתגר מציג הזדמנויות לאלו היכולים לחדש. בחלק השני של ניתוח מוצר אחסון מוכן לשווקים, נדון בגישות האחרונות העומדות בחזית הפעילות להתגברות על האתגרים העומדים בפני סוג אחסון זה ההופך לחשוב יותר ויותר.
בחלק הראשון, דנו ביתרונות ובאתגרים הקשורים לכונן מצב מוצק. הצורך להוריד עלויות, כמו גם הצורך להגדלת הצפיפות, הובילו את התעשייה לתחום ה-10 נ”מ של גיאומטריית ה-NAND, המגיעה בשלב זה לגבול הפיזי של אפשרות צפיפות אחסון התאים יחד. בחלק זה, נדון בשיטות חלופיות להגדלת הצפיפות, וגם באופן בו חידוש מסוים מתמודד באתגרי כונן מצב מוצק בצורה טובה באופן מפתיע.
הגדלת צפיפות באמצעות תאים רבי-ביטים
גישה אורתוגונלית לכיווץ גיאומטרי על מנת לאפשר הגדלת צפיפות, היא הגדלת מספר הביטים לתא. התעשייה החלה במה שאפשר לכנות NAND תא חד-רמה, המחזיק ביט אחד של מידע לתא. על מנת להגדיל צפיפות, פותח NAND תא רב-רמה המחזיק שני ביטי מידע לתא. עקב הצורך אשר נוצר עתה להבחין בין 4 רמות מתח במקום בשתי רמות, התא רגיש יותר להגרעה (degradation), וכתוצאה מכך, הוא ניחן בסיבולת נמוכה יותר בהשוואה ל-NAND תא חד-רמה. למשל, NAND תא חד-רמה יכול לעמוד בקרוב ל-K70 מחזורי ת/מ [P/E – (ת/מ) תכנות/מחיקה] בטרם יקרוס. בהשוואה לו, סיבולת NAND תא רב-רמה נמצאת בתחום ה-K18 ת/מ. אך באמצעות שימוש באלגוריתמים מתוחכמים המוזכרים לעיל (פיזור אחיד של בלאי, ניהול גוש פגום, וקוד תיקון שגיאה), ספקי כונן מצב מוצק יכולים להסוות חלק רב מהקטנת מספר מחזורי ה-ת/מ ב-NAND ברמת הכונן.
טכניקה אחרת, הידועה כ”אספקה עודפת”, ניתנת אף היא לשימוש להגדלת סיבולת הכונן. אספקה עודפת מקדישה כמות מינימום של שטח חופשי אשר אינו נגיש למשתמש או למערכת ההפעלה, ובקר הכונן מצב מוצק יכול להשתמש בו כב”שטח החלפה”. יחס “כתיבה על הכונן” לכתיבה המעשית המצוּוה על ידי המארח, מכונה גורם הגברת הכתיבה – גה”ה [Write Amplification Factor ()]. שטח נוסף זה, מקטין את גה”ה, ובעקבות זאת, משפר את סיבולת הכונן.
בדרך כלל, בעבר, רק NAND תא חד-רמה נלקח בחשבון ביישומים בתחום העסקים, אך עם הטכניקות המתוחכמות הזמינות עתה לספקים, תאים מסוג חד-רמה עם רמות סיבולת של עד 25 “כתיבות על גבי כונן ביום” – כגכ”ב ( – drive writes per day), למשך 5 שנים, אפשריים באמצעות שימוש ב-NAND תא רב-רמה. הלקוחות עדיין צריכים לדעת מה מספר הכגכ”ב הנדרש לתמיכה במה שנחשב כיישום רב-כתיבה, מעורב- שימוש, ורב-קריאה. המגמות הרווחות, רומזות לכך שדרישות הכגכ”ב מצטמצמות לשלוש צורות עיקריות: 10 כגכ”ב, 3 כגכ”ב ופחות מ-1 כגכ”ב.

NAND 3D תא תלת-רמה
בשנת 2012, הוכנסו כונני מצב מוצק מבוססים על NAND תא תלת-רמה, עקב הצורך להמשיך בהורדת עקומת העלויות. NAND תא תלת-רמה מחזיק 3 ביטים של מידע לתא. פירוש הדבר כי יש צורך באבחנה בין רמות המתח של 8 וולט על מנת לפענח את המידע המוחזק, וכך, הסיבולת מצטמצמת עוד יותר. מחזור הת/מ של NAND תא תלת-רמה פלאנארי מצוי בתחום ה-K1, וטכנולוגיה זו נתקלה באותה הטלת ספק אשר קידמה את ה-NAND תא רב-רמה כאשר ההתקן הוכנס לראשונה בכונני המצב מוצק ב-2008. באותה העת, היה ברור כי תעשיית ה-NAND זקוקה לפריצת דרך על מנת להמשיך את הורדת עקומת העלויות. הפיתוח הגיע לגבול הפיזי בכל הנוגע לאפשרות לכווץ את הגיאומטריה עוד יותר (הפרעה פנים-תאית, כמו גם המספר המצומצם של תאים זמינים להחזיק מטען). כאן המקום בו סמסונג הובילה את התעשייה על ידי הכנסת NAND . עם NAND , במקום לדחוס עוד יותר את התאים, תאי הבזק לכידת המטען – הל”מ (CTF – Charge Trap Flash) מותקנים באופן אנכי אחד על גבי השני על מנת להגדיל את הצפיפות. זהו שינוי תפיסה במושגים של סילומיות צפיפות ומבנה תא, והדבר יאפשר לתעשייה באופן הטוב ביותר להמשיך את הורדת עקומת העלויות. יתרון מפתח של טכנולוגיית NAND , הוא העובדה כי היא יכולה להשתמש בגיאומטריית תהליך גדולה יותר ועדיין להשיג צפיפות טובה יותר מאשר NAND פלאנארי. לתאי זיכרון גדולים יותר, יש יתרון בהפקת NAND מהיר ואמין יותר. הם גם צורכים פחות חשמל ביחס לזמן הדרוש לתכנות ההבזק. NAND הוא זה המאפשר לתא התלת-רמה לעבוד ברמות ברות השוואה לתאים רבי-רמה פלאנאריים.
להשוואה, NAND תא תלת-רמה מאופיין ב-K20 מחזורי ת/מ, סיבולת טובה יותר מזו של NAND תאים רבי-רמה פלאנאריים. זיכרון NAND כותב מידע בחלקים הידועים גם כעמודים, ומוחק בצורת גושים. זמן תכנות עמוד (tPROG) הינו פרמטר מפתח הקובע את ביצוע הכתיבה. עבור NAND פלאנארי 1x נ”מ, זמן תכנות העמוד גדל ביותר מ-25% במעבר מתא רב-רמה לתא תלת-רמה. אך הדור השני של NAND תא תלת-רמה של סמסונג מקטין את זמן תכנות העמוד ב-50% בהשוואה ל-NAND תא תלת-רמה פלאנארי, והוא אף הופך אותו, למעשה, למהיר יותר מ-NAND תא רב-רמה פלאנארי. זמן מחיקת גוש (tBERS) מוקטן אף הוא לקרוב ל-70% מ-NAND פלאנארי 1x נ”מ תא רב-רמה NAND 3D תא תלת-רמה. בעוד שקיימים הרבה גורמים היכולים להשפיע על הסיבולת, (לד’, הבקר, הקושחה, ה-DRAM, ה-NAND), ניתן להוכיח בקלות כי NAND 3D תא תלת-רמה מבוסס כונן מצב מוצק יכול לספק את הסיבולת ואת רמות הביצוע להם הלקוחות למדו לצפות מכוננים מבוססים תא רב-רמה.
תמונה 2.4 מציגה את ביצועי הכוננים מצב מוצק של לקוחות ומרכזי נתונים בהשוואה לתא תלת-רמה 3D. כפי שניתן לראות, לכונני מצב מוצק תא תלת-רמה 3D ביצועים טובים יותר מדומיהם מסוג תא רב-רמה פלאנארי.

NAND תא תלת-רמה 3D הינה הטכנולוגיה המתקדמת ביותר
טבלה 2.1 מסכמת השוואת ביצוע וסיבולת בין NAND תא תלת-רמה פלאנארי 1x נ”מ ודור שני של NAND תא תלת-רמה 3D. טבלה 2.2 משווה בין כוננים מצב מוצק מייצג המשתמשים בפלאנאר כנגד V-NAND ביישומי לקוח ומרכז נתונים. כפי שניתן לראות, NAND 3D מחזיר את התא התלת-רמה לרמות הסיבולת והביצוע המצופות על ידי הלקוח. עם השיפורים המתוכננים הנמשכים בסילומיות עבורNAND תא תלת-רמה 3D, אנו פתחנו את השער לעידן חדש של יתרונות בצפיפות, בביצוע ובעלות. אז מדוע כל זה חשוב? אחסון מבוסס NAND הפך כמעט לדבר נפוץ. מהרגע שאדם מצלם במצלמתו, מעלה את התמונה למרכז הנתונים או לענן, ואז, מפיץ אותה לאלפי אנשים אחרים, אחסון NAND מעורב בכל צעד וצעד. אנו חיים בזמנים מלהיבים בהם יאופשר זן חדש של התקנים כתוצאה מהתקדמות מתמשכת בטכנולוגיה NAND. אם לצטט שורה מפורסמת מסדרת טלוויזיה קלאסית (ואשר בקרוב תהיה לסרט הוליוודי גדול), “יש לנו את הטכנולוגיה. אנו יכולים להפוך אותה לטובה יותר משהייתה. טובה יותר…, חזקה יותר…, מהירה יותר”.

– טיאן שייה הינו מנהל שיווק מוצר לכונני מצב מוצק ב-סמסונג מוליכים למחצה. הוא משמש כיועץ מוצר ומומחה שווקים, המתמקד בהאצת המעבר לכונני מצב מוצק בשווקי הלקוחות והעסקים. באמתחתו יותר מ-15 שנות נסיון של שיווק מוצרים בתעשיית המוליכים למחצה והאחסון. לטיאה שייה תואר MBA מאוניברסיטת מק’גיל במונטריאול, קנדה, ותואר BSEE מאוניברסיטת מחוז קולומביה הבריטית בקנדה.

[1] Cisco VNI: Global Mobile Data Traffic Forecast Update , פברואר, 2015
[2] YouTube, מרץ 2012

הכתבה הופקה באמצעות דטא גי סי אלקטרוניקה מפיצה של SAMSUNG SEMICUNDUCTORS בישראל