3 डी में संक्रमण: एसएसडी लाइफ पर चिप आर्किटेक्चर और रिकॉर्डिंग एल्गोरिदम का प्रभाव

हालाँकि पहले SATA SSD को पेश हुए 14 साल बीत चुके हैं, फिर भी कई उपभोक्ता उचित मात्रा में संदेह के साथ ठोस-राज्य ड्राइव का उल्लेख करते हैं। अविश्वास का मुख्य कारण फ्लैश मेमोरी का सीमित कार्य संसाधन है, जो चिप्स के अर्धचालक संरचना के क्रमिक गिरावट के कारण होता है, जिसके परिणामस्वरूप डिवाइस जल्द या बाद में जानकारी को रिकॉर्ड करने और संग्रहीत करने की अपनी क्षमता खो देते हैं। विस्तृत तकनीकी विनिर्देश अक्सर केवल स्थिति को बढ़ाते हैं: एक खरीदार के लिए यह समझना मुश्किल है कि क्या दो टेराबाइट के लिए पश्चिमी डिजिटल ब्लू 3 डी नंद एसएटीए एसएसडी विवरण में वर्णित टीबीडब्ल्यू 500 टीबी बहुत कम है या थोड़ा है? वास्तविक परिचालन स्थितियों में इस तरह की ड्राइव कितनी चलेगी और क्या यह सबसे मूल्यवान फाइलों के साथ भरोसा किया जा सकता है? आइए इस मुद्दे को एक साथ समझने की कोशिश करें और इस बारे में बात करें कि आधुनिक फ्लैश मेमोरी कितनी विश्वसनीय है।

कड़ाई से बोलते हुए, "जीवन का मुख्य प्रश्न, ब्रह्मांड और वह सब" का जवाब दिसंबर 2014 में वापस मिला, जब TechReport नेटवर्क प्रकाशन के लोगों ने उपभोक्ता SSD का परीक्षण पूरा किया, जो एक वर्ष तक चली। उदाहरण के रूप में HyperX, Corsair, Kingston, और Samsung उत्पादों का उपयोग करते हुए, उन्होंने आश्वस्त रूप से साबित कर दिया है कि SSDs का वास्तविक जीवन डबिंग के 1 पेटाबाई से अधिक है। इस तरह के वॉल्यूम न केवल औसत उपयोगकर्ता के लिए लगभग अकल्पनीय हैं, बल्कि पेशेवर सामग्री निर्माताओं के लिए भी: यह ड्राइव नैतिक रूप से अप्रचलित हो जाएगा, क्योंकि इसके संसाधन समाप्त हो चुके हैं।

हालांकि, एक महत्वपूर्ण बारीकियों है: चार साल पहले, एमएलसी नंद चिप्स उपयोग में थे, प्रत्येक सेल में 2 बिट्स जानकारी संग्रहीत करने में सक्षम थे और 25-नैनोमीटर प्रक्रिया प्रौद्योगिकी का उपयोग करके निर्मित किया गया था। उस समय, यह अत्यधिक विश्वसनीय SLC (सिंगल-लेवल सेल) और अधिक कैपेसिटिव और सस्ती TLC (ट्रिपल-लेवल सेल) के बीच एक अच्छा समझौता था: दो-बिट कोशिकाओं के साथ चिप्स ने एक स्वीकार्य डेटा स्टोरेज घनत्व प्रदान किया, जिसमें 5,000 लिखने / मिटाने का चक्र ( औसतन, यह आंकड़ा 3 हजार तक पहुंच जाता है)। उनके करीबी भाइयों के बारे में क्या नहीं कहा जा सकता है: सभी लाभों के लिए, जिसमें उच्च क्षमता और कम लागत शामिल है, टीएलसी बहुत कम हार्डी थे, मुश्किल से 1,500 हजार प्रोग्रामिंग / मिटाने वाले चक्रों का बार लिया, इस तथ्य के बावजूद कि अधिकांश प्लैंक माइक्रोकैक्रयूकेट मुश्किल से एक हजार का सामना कर सकते हैं।

इस स्थिति में मुख्य अपराधी चिप्स के उत्पादन में इस्तेमाल होने वाली 15-नैनोमीटर प्रक्रिया के लिए संक्रमण था। यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, बस याद रखें कि नंद-स्मृति कैसे काम करती है। उच्च विद्युत क्षेत्र की ताकत के कारण ढांकता हुआ परत के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की क्वांटम टनलिंग के कारण फ्लोटिंग गेट पर चार्ज बदलने से सूचनाओं के कोडिंग होते हैं।


फ्लोटिंग गेट ट्रांजिस्टर सर्किट

भौतिकी के दृष्टिकोण से, हम एक प्रतिवर्ती हिमस्खलन जैसी टूटने की घटना से अधिक कुछ नहीं के साथ काम कर रहे हैं। एक विद्युत क्षेत्र में तेजी से, इलेक्ट्रॉनों को ढांकता हुआ अणुओं के प्रभाव आयनीकरण के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा प्राप्त होती है, जिसके परिणामस्वरूप प्राथमिक कणों की एक जोड़ी होती है, जो विपरीत चार्ज को प्रभावित करते हैं, जो एक विद्युत क्षेत्र द्वारा त्वरित होते हैं, और प्रक्रिया दोहराती है, जबकि चार्ज वाहक की संख्या तेजी से बढ़ जाती है (इसलिए नाम )। यह अनुमान लगाना आसान है कि इस तरह की प्रक्रियाओं से धीरे-धीरे ढांकता हुआ परतों का कारण बनता है, परिणामस्वरूप, पड़ोसी कोशिकाओं को चार्ज रिसाव की संभावना बढ़ जाती है, जो बदले में, नुकसान या यहां तक ​​कि डेटा के पूर्ण नुकसान की ओर जाता है। और एक नई प्रक्रिया प्रौद्योगिकी के लिए संक्रमण केवल स्थिति को बढ़ा देता है: ढांकता हुआ की मोटाई में कमी इस तथ्य की ओर जाता है कि कोशिकाएं बहुत पहले विफल हो जाती हैं।

हालाँकि, अगर समस्या केवल यही थी, तो आम उपभोक्ताओं और कॉर्पोरेट उपयोगकर्ताओं को, केवल MLC और TLC के बीच के अंतर पर ध्यान नहीं दिया जाता था, और SSD के लिए तकनीकी विशिष्टताओं में हम बहुत अधिक प्रभावशाली आंकड़े देखेंगे। वास्तव में, हमारी आंखों के सामने एक पूरी तरह से अलग तस्वीर दिखाई देती है, और फ्लैश चिप्स की वास्तुकला और उनके काम की बारीकियां इसका कारण हैं: व्यक्तिगत कोशिकाओं को पृष्ठों में और ब्लॉकों को पृष्ठों में संयोजित किया जाता है, जबकि जानकारी केवल खाली पन्नों में लिखी जा सकती है, और इसका विलोपन किया जाता है। ब्लॉक द्वारा ब्लॉक।

व्यवहार में इसका क्या अर्थ है? मान लीजिए कि हमारे पास आंशिक रूप से भरा हुआ ब्लॉक है और हम इसके लिए नया डेटा लिखना चाहते हैं। यदि उनकी मात्रा शेष खाली स्थान से कम है, तो रिकॉर्डिंग बिना किसी अतिरिक्त जोड़तोड़ के तुरंत होती है। यदि पर्याप्त जगह नहीं है, तो जटिल मल्टी-स्टेज एल्गोरिदम खेल में आते हैं। नीचे दिए गए चित्र में स्थिति पर विचार करें।


यह कैसे डेटा फ्लैश मेमोरी के लिए लिखा जाता है

नया डेटा जिसे हम रिकॉर्ड करना चाहते हैं, वह एक ब्लॉक में दो पेजों पर कब्जा कर लेता है, लेकिन केवल एक ही वास्तव में स्वतंत्र है: हालांकि पुराने पेज (पीले रंग में हाइलाइट किया गया) को पहले उपयोगकर्ता द्वारा हटा दिया गया था, वास्तव में, दर्ज की गई जानकारी गायब नहीं हुई थी। नए डेटा के लिए स्थान खाली करने के लिए, नियंत्रक एक प्रक्रिया शुरू करता है जिसे कचरा संग्रह के रूप में जाना जाता है, अनावश्यक डेटा को हटाता है और मौजूदा लोगों को पुनर्वितरित करता है। ऐसा करने के लिए, अनावश्यक को छोड़कर, सभी पृष्ठों को दूसरे, मुफ्त ब्लॉक में कॉपी किया जाता है, जबकि पहला पूरी तरह से मिटा दिया जाता है। फिर वास्तविक पृष्ठों को पहले ब्लॉक में वापस स्थानांतरित किया जाता है, दूसरे से हटा दिया जाता है, और उसके बाद ही नया डेटा अपनी सही जगह लेता है।

उपरोक्त उदाहरण में, दो पृष्ठों को रिकॉर्ड करने के लिए, हमें दो ब्लॉकों को दो बार, छह पृष्ठों को पूरी तरह से फिर से लिखना था। वास्तव में, "कचरा संग्रह" प्रक्रिया बहुत अधिक जटिल दिखाई देगी और, परिणामस्वरूप, रीराइट साइकल की संख्या बहुत बड़ी हो जाएगी। वास्तविक चित्रण का अनुमान केवल गुणांक गुणांक को जानकर लगाया जा सकता है, जो यह दर्शाता है कि फ़्लैश मेमोरी पर वास्तविक लोड कितनी बार गणना की गई है। यह संकेतक केवल एकता के बराबर हो सकता है जब पूरी तरह से साफ, सिर्फ स्वरूपित डिस्क पर जानकारी रिकॉर्ड किया जाता है, अन्य सभी मामलों में इसका मूल्य 2 से 25 तक अलग-अलग होगा। इसके अलावा, पहली नज़र में, समान ड्राइव में काफी भिन्नता हो सकती है, इसलिए उपयोग किए गए नियंत्रक के मॉडल और फर्मवेयर की सुविधाओं के आधार पर। इस प्रकार, एसएसडी दोष सहिष्णुता न केवल फ्लैश मेमोरी के प्रकार से निर्धारित होती है, बल्कि यह भी कि डेवलपर्स कितना एफटीएल (फ्लैश ट्रांसलेशन लेयर) परत के प्रदर्शन का अनुकूलन करने में सक्षम थे।

3 डी नंद मेमोरी की विश्वसनीयता पर भंडारण घनत्व में नाटकीय वृद्धि क्यों प्रभावित नहीं हुई?

तो, अब हम जानते हैं कि फ्लैश मेमोरी कैसे काम करती है और कौन से कारक एसएसडी ड्राइव की विश्वसनीयता निर्धारित करते हैं। यह पता लगाने का समय है कि प्रदान किए गए "फ्लैट" चिप्स से तीन-आयामी लोगों को क्या फायदे हैं। सबसे पहले, 3 डी नंद परिचित फ्लोटिंग शटर के बजाय "चार्ज ट्रैप" (चार्ज ट्रैप फ्लैश) के उपयोग के कारण अपने पूर्ववर्तियों से अलग है। यदि उत्तरार्द्ध में, डोपेंट के साथ पॉलीसिलिकॉन का उपयोग चार्ज को स्टोर करने के लिए किया जाता है, तो सीटीएफ में यह गैर-प्रवाहकीय सामग्री का एक पृथक क्षेत्र है, सबसे अधिक बार सीएन - सिलिकॉन नाइट्राइड। इस तरह के एक दृष्टिकोण ने चार्ज रिसाव की संभावना को कम करना संभव बना दिया और, परिणामस्वरूप सेल स्थिरता में वृद्धि हुई।

तीन आयामी मेमोरी चिप्स की वास्तुकला में भी अपने पूर्ववर्ती की तुलना में महत्वपूर्ण परिवर्तन हुए हैं, क्योंकि अब प्रत्येक कोशिका में एक बेलनाकार संरचना होती है: बाहरी परत एक नियंत्रण द्वार है, और आंतरिक एक इन्सुलेटर है। चूंकि कोशिकाएं अब एक के ऊपर एक स्थित हैं, वे एक स्टैक बनाते हैं, जिसके अंदर पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन से बना एक चैनल गुजरता है। यह समझना आसान है कि एक चिप में परतों की संख्या ढेर में कोशिकाओं की संख्या निर्धारित करती है।


3 डी नंद चिप सेल डिवाइस

इस संरचना ने कोशिकाओं के बीच हस्तक्षेप को कम करना संभव बनाया और इस तरह रिकॉर्डिंग एल्गोरिदम को सरल बनाया गया: चूंकि प्रभार की स्थिति की जांच करने की कोई आवश्यकता नहीं थी, इसलिए सेल में रिकॉर्डिंग एक चरण में शुरू हुई। एक और महत्वपूर्ण बारीकियों: 3 डी नंद के उत्पादन के लिए, रन-इन प्रक्रियाओं का उपयोग किया जाता है, इस तथ्य के बावजूद कि कोशिकाओं की पैकिंग घनत्व में काफी वृद्धि करने में सक्षम थी। इसलिए, उदाहरण के लिए, यहां तक ​​कि 40-नैनोमीटर प्रक्रिया प्रौद्योगिकी का उपयोग करके 48-लेयर चिप्स (तीन-आयामी फ्लैश मेमोरी की तीसरी पीढ़ी) का उत्पादन किया गया था। इससे न केवल उनकी विश्वसनीयता बढ़ाना संभव हो गया, बल्कि उत्पादन की लागत को भी कम करना पड़ा, क्योंकि मौजूदा उत्पादन लाइनों को केवल न्यूनतम आधुनिकीकरण की आवश्यकता थी, और गहरी पराबैंगनी में लिथोग्राफी की आवश्यकता पूरी तरह से गायब हो गई।

पश्चिमी डिजिटल उत्पादों के बारे में विशेष रूप से बोलते हुए, फिर आधुनिक डब्ल्यूडी ब्लैक एसएन 750 एनवीएमई एसएसडी में , जिसकी बिक्री 18 जनवरी, 2019 से शुरू हुई, 64-लेयर टीएलसी 3 डी नंद बायसीएस (बिट कॉस्ट स्केलेबल), 28-नैनोमीटर प्रक्रिया प्रौद्योगिकी का उपयोग करके बनाई गई है। पैकिंग घनत्व को एक और 1.4 गुना बढ़ाने के अलावा (शीर्ष मॉडल में अब 2 टीबी की क्षमता है, जो पिछली पीढ़ी के फ्लैगशिप के आकार से दोगुना है), इस तरह की चिप की एक महत्वपूर्ण विशेषता यू-आकार के तारों का उपयोग है।


3 डी नंद बायसीएस आर्किटेक्चर

चूंकि अब स्विचिंग ट्रांजिस्टर और सोर्स लाइन चिप के ऊपरी हिस्से में स्थित हैं, वे व्यावहारिक रूप से उच्च-तापमान प्रभावों के संपर्क में नहीं आते हैं, जो स्वयं पढ़ने / लिखने के संचालन के दौरान त्रुटियों को जन्म दे सकता है, जो ठोस-राज्य ड्राइव की विश्वसनीयता में और सुधार करता है।

रिकॉर्डिंग एल्गोरिदम एसएसडी के जीवन को कैसे प्रभावित करते हैं?

हमने पहले ही ऊपर लिखा है कि फ्लैश मेमोरी कितनी भी हार्डी और सुरक्षित क्यों न हो, अगर एसएसडी के डेवलपर्स ने प्रभावी रिकॉर्डिंग एल्गोरिदम बनाने की जहमत नहीं उठाई तो इसका संसाधन बर्बाद हो जाएगा। इस प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए, दो बहुत प्रभावी तकनीकों का उपयोग किया जाता है: एसएलसी कैशिंग और वियर लेवलिंग।

पहले का सार उपलब्ध मेमोरी सरणी का वह हिस्सा है, जिसका आकार ड्राइव की कुल मात्रा पर निर्भर करता है (उदाहरण के लिए, डब्ल्यूडी ब्लू 3 डी नंद एसएसडी विकसित करते समय , हम हर 250 जीबी क्षमता के लिए 4 जीबी कैश की गणना से आगे बढ़े) एसएलसी ऑपरेशन मोड में स्थानांतरित किया जाता है, अर्थात , प्रत्येक सेल में केवल एक बिट जानकारी दर्ज की जाती है, जो दोनों को अपने प्रदर्शन को बढ़ाने और पहनने की दर को कम करने की अनुमति देता है। एसएलसी एसएसडी पर संग्रहीत डेटा की रिकॉर्डिंग और समेकन में शामिल है, जो न केवल संचालन की गति को बढ़ाने की अनुमति देता है, बल्कि सेल पहनने की दर को भी कम करता है। पश्चिमी डिजिटल SSDs के वर्तमान संस्करणों में, n nache 3.0 तकनीक का उपयोग किया जाता है, जिसके नवीनतम संस्करण ने डायरेक्ट-टू-TLC फ़ंक्शन का अधिग्रहण कर लिया है, जिससे कैशिंग और गति के बीच एक संतुलन का पता लगाना संभव हो गया है: डेटा पूरी तरह से या SLC का उपयोग करते समय कैश को दरकिनार करते हुए लिखा जाता है। बफर व्यावहारिक नहीं है। यह, एक तरफ, कैश को उतारने में मदद करता है, और साथ ही इसे भरने पर प्रदर्शन में एक नाटकीय गिरावट से बचने के लिए।


एसएलसी पर लिखने की गति की गतिशीलता एसएलसी-बफर को भरते समय

लेवलिंग वियर की तकनीक के लिए, यह सुनिश्चित करने में मदद करता है कि सभी उपलब्ध पेज ब्लॉक को यथासंभव समान रूप से उपयोग किया जाए। जैसा कि आप जानते हैं, कोई भी ऑपरेटिंग सिस्टम डेटा ब्लॉक (LBA) को संबोधित करने के लिए एक तार्किक तंत्र का उपयोग करता है, जबकि नियंत्रक स्वयं भौतिक पते (PBA) के साथ संचालित होता है, उन्हें तार्किक लोगों के साथ सहसंबंधित करता है। इसके परिणामस्वरूप, यह कोई फर्क नहीं पड़ता कि फाइलों के टुकड़े वास्तव में कहां स्थित हैं, जिसके कारण एक माइक्रोप्रोग्राम लिखना संभव है जो यह सुनिश्चित करेगा कि कोशिकाओं के बीच लोड समान रूप से वितरित किया जाता है।


पहनें समतलन कोशिकाओं पर एक समान भार सुनिश्चित करता है

सामान्य स्थिति में, इसका एल्गोरिथ्म इस प्रकार है। आपने एक बिलकुल नया SSD खरीदा और उस पर निशुल्क स्थान होने के बावजूद, जानकारी को मुफ्त ब्लॉक में दर्ज किया जाएगा। जैसा कि आप काम करते हैं, आप अनावश्यक फ़ाइलों को हटाना शुरू करते हैं, और कचरा संग्रह तंत्र उन्हें पृष्ठभूमि में साफ करता है, हालांकि, उनका उपयोग केवल रिकॉर्डिंग के लिए किया जाएगा क्योंकि डिस्क पर कम से कम एक बार एक ब्लॉक नहीं बचा है जिसमें डेटा लिखा गया था। बेशक, वास्तव में, सब कुछ बहुत अधिक जटिल है, लेकिन अर्थ नहीं बदलता है।

और यहां एक और महत्वपूर्ण नोट पश्चिमी डिजिटल उत्पादों के बारे में बनाया जाना चाहिए। जब हमने SSD बाजार को विकसित करने का निर्णय लिया, तो हम दो तरह से जा सकते थे: तीसरे पक्ष के निर्माताओं से मेमोरी और कंट्रोलर खरीदना, केवल फर्मवेयर के विकास और अनुकूलन पर ध्यान केंद्रित करना या पूर्ण-चक्र उत्पादन स्थापित करना। स्क्रैच से इस तरह के प्रोजेक्ट को चलाना अव्यावहारिक होगा और यहां तक ​​कि सैनडिस्क की खरीद में भी हमें काफी पैसा खर्च करना पड़ेगा। लेकिन निवेशित निधियों ने पूरी तरह से हरा दिया: चिप्स के उत्पादन को नियंत्रित करने के लिए, हमें माइक्रोक्रामग्राम्स को माइक्रोक्रिस्केट्स की सुविधाओं के अनुकूल बनाने का अवसर मिला।

यह समझा जाना चाहिए कि फ्लैश मेमोरी कोशिकाओं में जानकारी के बिट्स लिखना पहली नज़र में लगने की तुलना में बहुत अधिक जटिल प्रक्रिया है: यह सैकड़ों विभिन्न मापदंडों को ध्यान में रखता है, जिनमें से सबसे महत्वपूर्ण हैं चार्ज ट्रांसफर और रिकॉर्डिंग समय के लिए आवश्यक वोल्टेज। जैसे ही चिप्स खराब होते हैं, उनकी शारीरिक विशेषताओं में भी बदलाव होता है: सफल डेटा रिकॉर्डिंग के लिए, कम वोल्टेज की आवश्यकता होती है, और साथ ही, सेल पर इसके प्रभाव का आवश्यक समय कम हो जाता है। अधिकांश SSDs में, ये पैरामीटर स्थिर होते हैं, लेकिन पश्चिमी डिजिटल SSDs में, इसके विपरीत, वे गतिशील रूप से कोशिकाओं को पहनते हैं, जो उनमें से प्रत्येक के जीवन को अधिकतम करने की अनुमति देता है, अर्धचालक संरचनाओं पर नकारात्मक प्रभाव को कम करता है।

QLC 3 डी नंद - नवीनतम पीढ़ी फ्लैश मेमोरी

यदि आप उच्च प्रौद्योगिकियों की दुनिया से समाचार का पालन करते हैं, तो आप शायद जानते हैं कि वेस्टर्न डिजिटल सक्रिय रूप से अगली पीढ़ी के तीन आयामी मेमोरी के उत्पादन में महारत हासिल कर रहा है - क्यूएलसी 3 डी नंद (पहली घोषणा जून 2018 में हुई)। संक्षिप्त नाम QLC क्वाड-स्तरीय सेल के लिए है। दूसरे शब्दों में, 16 चार्ज का स्तर एक सेल में संग्रहीत किया जा सकता है, न केवल तीन, बल्कि जानकारी के चार बिट्स को एन्कोडिंग। टीएलसी 3 डी नंद की तुलना में, क्यूएलसी में रिकॉर्डिंग घनत्व में 33% की वृद्धि हुई: इस प्रकार, एक 64-लेयर चिप की क्षमता बढ़कर 768 जीबीपीएस हो गई। लेकिन यह सीमा नहीं है: अगस्त 2018 में हमने 96-परत माइक्रोकिरिस्क की रिहाई शुरू की। परतों की संख्या में वृद्धि करके, हम क्षमता में 50 प्रतिशत की वृद्धि प्राप्त करने में सक्षम थे और 1 टैबिट बैरियर को पार करते हुए: 3 डी नंद बीसीएस 4 नामक नए चिप्स, 1.33 टैबिट जानकारी को समायोजित कर सकते हैं, जो लगभग 166 जीबी है। दो 48-लेयर क्रिस्टल (आज यह सबसे आर्थिक रूप से व्यवहार्य दृष्टिकोण है) के संयोजन से इस तरह के उच्च डेटा भंडारण घनत्व को प्राप्त करना संभव था।


दो 48-लेयर चिप्स को एक 96-लेयर में संयोजित करना

बढ़ी हुई क्षमता संभवतः एसएसडी के प्रदर्शन को कम करने में सक्षम है, लेकिन आपको इस बारे में चिंता नहीं करनी चाहिए: नई 3 डी नंद बीसीएस 4 फ्लैश मेमोरी दो भौतिक सरणियों के बजाय चार का उपयोग करती है, जो संचालन को समानांतर करके डेटा को पढ़ने और लिखने का अनुकूलन करना संभव बनाती है, और यह बदले में, संभव है। आधुनिक टीएलसी-समाधानों की तुलना में एक स्तर पर क्यूएलसी-चिप्स के कामकाजी जीवन को बनाए रखते हुए, यह कैश को अधिक कुशलता से उपयोग करने और सेल पहनने के स्तर को नियंत्रित करने में मदद करेगा। हालाँकि, QLC में अंतर्निहित तकनीकों का विवरण इस सामग्री के दायरे से परे है और निश्चित रूप से एक अलग लेख के योग्य है।