Все мы постоянно слышим про линии PCI-Express. Тут их 8, там их 16. Тут PCI-Express 3.0, тут 4.0 и т.д. Но что всё это значит? И почему сейчас наличие свежего PCI Express почти так же важно как и мощный процессор или видеокарта?

Поэтому сегодня разберемся в технологии? Узнаем, что такое шина.

Сравним гигатранзакции и гигабайты. А также выясним почему PCI Express быстрее всех доставить вас до работы.

Что такое?

Для начала давайте разберемся, что такое PCI-Express и зачем он нужен?

И для этого давайте решим логическую задачку.

Перед вами 4К монитор, мощная видеокарта и быстрый SSD-диск. Что объединяет все эти устройства? Кроме того, что всё это сейчас стоит невероятных денег.

Давайте порассуждаем. Всем этим устройствам для нормальной работы нужно обмениваться данными с центральным процессором, причем в огромных объемах и на высоких скоростях. Поэтому все эти устройства могут подключаться к центральному процессору через высокоскоростную шину PCI-Express.

PCI Express (Peripheral Component Interconnect Express)

Что еще за шина и почему она высокоскоростная?

Ну смотрите, чтобы что-то с чем-то объединить внутри компьютера нам во-первых нужно физическое соединение, а во-вторых какой-то протокол, то есть правила, по которым данные будут передаваться.

Так вот и то и другое в одном флаконе – это и есть шина. А PCI-Express — одна из самых быстрых шин. Но насколько быстрая?

Вот у меня есть ноутбук, это MSI GP66 Leopard 11UH-229RU. Тут поддерживается актуальный PCIe версии 4.0.

Теоретически, если поставить сюда быстрый SSD с поддержкой PCIe 4-го поколения, то можно получить скорость 7, может даже 7,5 Гбайт/с. Представляете 7 ГБ в секунду! И такие цифры я уже видел на практике!

А так как тут есть слот под второй диск, если объединить два диска в RAID, то можно удвоить этот показатель.

Но в моей комплектации установлен не самый быстрый SSD от Kingston с памятью QLC и поддержкой только PCIe 3.0. Поэтому на нём возможности шины протестировать не получиться.

Но откуда такие скорости? Что это это за линии? И на что реально способен PCIe, об этом и поговорим.

Как работает PCIe?

Так почему же PCIe такой быстрый. В первую очередь, дело в архитектуре.

Представьте, что вам нужно доехать на машине от дома до офиса, который находится в 10 км от вас. При каких условиях дорога займет меньше всего времени? Она должна быть прямой, без ограничения скорости и желательно вообще без других машин.

Так вот, просто PCI (без express) работал похоже на обычную городскую дорожную сеть, все устройства подключались параллельно к общей шине, то есть их данные бегали по одним и тем же дорогам. Поэтому скорость работы могла варьироваться в зависимости от трафика.

А вот стандарт PCIe проложил индивидуальную дорогу для каждого устройства, которая напрямую соединяет его с центральным хабом, расположенным либо на одном кристалле с центральным процессором, либо отдельно на чипсете. Поэтому PCIe гарантирует стабильно максимальную скорость соединения для каждого устройства.

Причем такая индивидуальная дорога – двусторонняя. Поэтому данные могут передаваться и в одну, и в другую сторону одновременно на полной скорости. Такой режим передачи данных называется дуплексным.

Каждая такая дорога от устройства к коммутатору называется линией PCIe. И таких линий к каждому устройству можно провести несколько: 1, 2, 4, 8 или 16 в зависимости от потребностей. Потому, чем больше линий, тем больше скорость, то есть 2 линии в 2 раза быстрее, чем одна, а 16 линий в 16 раз быстрее. И никаких потерь.

Думаю, что общий принцип понятен, но теперь давайте немного углубимся и разберем как именно передаются данные.

Гигатранзакции

На скорость влияет не только архитектура, но и способ передачи данных.

На электрическом уровне каждое соединение использует низковольтную дифференциальную передачу сигнала или LVDS — low-voltage differential signaling.

В это сильно углубляться не будем. Но в общих чертах, в LVDS сигнал кодируется при помощи подачи разных уровней напряжения очень маленькой амплитудой сигнала.

Такой подход позволяет избежать помех во вне и передавать данные на высоких частотах при помощи дешевой медной витой пары. В общем, преимуществ масса.

Данные в компьютерных шинах передаются пакетами. Каждый пакет переданных данных называется транзакцией. Поэтому скорость передачи данных в шинах измеряется не в гигабитах или гигабайтах в секунду а в гигатранзакциях в секунду (ну или гигатрансферах, так тоже говорят). Что это такое?

Фактически транзакция в секунду, это не объём переданных данных, а частота с которой эти данные передаются. И чем эта частота выше, тем выше пропускная способность.

Тут похоже на ЦП, чем больше гигагерц, тем теоретически быстрее.

Так например например, в PCI-e 1.0 каждая линия работает с частотой 2,5 ГТ/с, то есть 2,5 миллиарда транзакций в секунду. А в версии 2.0. частота в 2 раза выше 5 ГТ/с, поэтому и пропускная способность интерфейса в 2 раза выше.

Одна линия PCIe 1.0 передавала 0,25 Гбайт/с, а 2.0 уже 0,5 Гбайт/с.

Но не только частота шины влияет на пропускную способность.

В PCIe 3.0 частота подросла с 5 ГТ/с до 8, и кажется это не много. Но при этом пропускная способность выросла практически в два раза! Как так?

Дело в том, что на скорость работы шины также влияет способ кодирования информации.

При передаче данных нам важно быть уверенными, что всё долетело в целости и сохранности. Поэтому в каждый пакет с данными добавляются специальные коды проверки целостности и прочая служебная информация, которые тоже занимают место.

Например, в первой и второй версиях PCIe на каждые 8 бит полезной информации приходилось 2 служебных бита. Такая кодировка обозначается как 8 бит поделить на 10 бит. или 8b/10b.

Это значит, что 20% пропускной способности шины тратилось на передачу служебной информации.

Начиная с 3-й версии интерфейса стали использовать кодировку 128b/130b. Это значит что на каждые 2 бита служебной информации приходится 128 бит полезной инфы. А это всего 1.5% потерь. Поэтому, несмотря на не сильно подросшие частоты с 5 до 8 Гигатрансферах, в третьей версии PCIe пропускная способность увеличилась практически в 2 раза.

Кстати, если хотите точно рассчитать пропускную способность каждой версии PCIe вы можете сделать это по вот такой формуле. Ну, либо просто загляните в табличку на википедии.

Формула расчета пропускной способности PCIe:

• BW (МБ/с) = FR (МТ/с) * EN * 1B/8b
• BW – искомая скорость передачи в МБ/с
• FR – частота шины в ГТ/с
• EN – тип кодирования
• Пример, для PCIe 2.0:
• BW = 5000 * 8/10 * 1/8 = 5000 * 0.8 * 0.125
• BW = 500 МБ/с

Зачем нужен PCIe 4.0?

На текущий момент актуальна версия PCI Express 4.0. В отличие от прошлой версии 3.0, новая шина в 2 раза быстрее, частота передачи данных по шине тут достигает 16 миллиардов пересылок в секунду. А пропускная способность одной линии тут достигать почти 2 ГБ/с (1969 Мбайт/с). И целых 31,5 Гбайт/с для 16 линий!

Вы только представьте – 31 ГБ в секунду!!! Но зачем это нужно и вообще как влияет на производительность?

Ну смотрите, 3-е поколение шины появилось аж в 2010 году и до сих пор почти везде используется. А 4-е поколение было готово еще в 2017 году, но только щас начинает становиться мейнстримом.

Всё так медленно развивается потому, что до текущего момента было очень мало задач, для которых были бы нужны такие скорости передачи данных. То есть обновляться раньше не было смысла.

Но теперь появились доступные и супер быстрые SSD-диски, которым мало стандартных 4х линий PCI 3.0 со скоростью 3,9 ГБ/с. А также появились мощные видеокарты и мониторы с высоким разрешением, которым тоже нужна серьезно пропускная способность.

Поэтому в первую очередь PCI-e 4.0 нужен для современных игр и поддержки технологии DirectStorage от Майкрософт.

Если вы хотите, чтобы игры быстро загружались, быстро подгружались текстуры и были в высоком фотореалистичном разрешением, а переходы в другие уровни и смены локаций были бесшовными, быстрый SSD и PCIe 4.0 просто необходим.

Все эти вещи уже стандарт для консолей нового поколения, и поэтому все будущие игры также будет разрабатываться с учетом этих новых возможностей быстрого стриминга данных.

Во-вторых, если у вас несколько 4К и 5К мониторов с которыми вы одновременно работаете, наличие PCI Express 4-й версии тоже может стать необходимостью. Но это уже более профессиональные кейсы и тут люди сами знают, что им нужно.

Как влияет на производительность?

Окей, перейдём к практике и нашем тестовому ноутбуку MSI GP66 Leopard

MSI GP66 Leopard 11UH-229RU

• Процессор Intel Core i7-11800H
• Оперативная память 16 (2×8) ГБ DDR4-3200
• Видеоподсистема Nvidia GeForce RTX 3080
• Экран 15,6, 1920×1080, 144 Гц, IPS
• Накопитель SSD 512 ГБ + свободный слот M.2 2280
• Батарея 65 Вт·ч
• Габариты 358×271×34 мм (максимум, измерено нами)
• Масса без блока питания 2,32 кг (измерено нами)

Сильные стороны этого ноутбука: мощный процессор Intel 11-го поколения 11800H, к которому походят 20 линий PCIe 4.0, что позволит лучше раскрыть видеокарту Nvidia RTX 3080.
Плюс в ноутбуке довольно толстый корпус и фирменная система охлаждения CoolerBoost 5. А также прекрасный IPS дисплей от LG с частотой обновления 144 Гц.

Ну а главный недостаток — это комплектный SSD, который явно не раскрывает возможностей железа. Тем не менее всегда можно поставить второй SSD, если этого недостаточно.

Этот ноутбук не позиционируется как игровой, типа это ноут для вычислений. Но судя по характеристикам, а также RGB подсветке клавиатуры. Мы кажется поняли какие именно вычисления вы имеете ввиду MSI, поэтому запустил на нём Cyberpunk 2077.

И ноутбук проявил себя в игровом тесте великолепно. В Cyberpunk 2077 я выставил ультра настройки а в ноуте режим экстремальной производительности.

Также посмотрите результаты тестов в других играх в сравнении с конкурентами:

(Источник ixbt.com)

Насколько сильно повлияло наличие PCI Express 4.0 на эти результаты сказать сложно. Но интерфейс точно не был бутылочным горлышком, и полностью его потенциал может раскрыться в будущем, когда в Windows появится поддержка технологии DirectStorage и если поставить новый SSD.

В остальном, ноутбук очень хорош для ресурсоемких вычислений и просто идеален для игр.

Чего ждать в будущем?

Чего же нам ждать в будущем? Нас ждёт PCI Express 5.0 и 6.0, каждый из которых в два раза быстрее своего предшественника.

Спецификация 5-го поколения была финализирована еще в 2019 году, а первые процессоры с поддержкой новой шины появился в продаже уже очень скоро в ноябре 2021 года, это будут процессоры Intel 12-го поколения Alder Lake.

Потребности в скоростях 5-го поколения шины пока нет. Почти всем вполне хватит 4-й версии еще на долгие годы. Разве что теперь те же скорости будут доступны при вдвое меньшем количестве линий, что позволит сэкономить немного места.

Что же касается 6-го поколения. Спецификацию должны были утвердить в этом году, но перенесли на 22-й, а появление первых девайсов раньше 25-го года можно не ждать.

Но что можно точно сказать, что в этом году время PCIe 3.0, который прослужил нам больше 10 лет уже точно сочтено. Поэтому если уж брать комп или ноутбук, то минимум с 4-й версией.

SSD-диски давно не роскошь. Мы все знаем и уже привыкли, что без SSD жизни нет. Но теперь, с приходом консолей нового поколения, скорость вашего накопителя станет главным бутылочным горлышком в мире некст-ген графики. Поэтому давайте с вами разберемся какие бывают SSD диски, и как раз и надолго правильно выбрать хороший SSD-диск и не разориться.

Выбрать нужный SSD-диск и не переплатить не так просто как кажется. Они по-разному выглядят, по-разному стоят… SSD-диски бывают разными.

Существует целых пять форм-факторов SSD-дисков. Форм-фактор — это то, как наши диски выглядят физически и через какой разъём они подключаются к материнской плате. Это разъёмы SATA, mSATA, M.2, U.2 и PCI-Express.

А также есть два интерфейса подключения. Это то, как диски логически подключаются непосредственно к процессору, то как данные перемещаются внутри компьютера.

Это старый добрый интерфейс SATA и более свежий интерфейс NVMe, который работает через шину PCI-Express.

Из-за такого многообразия часто возникают проблемs при выборе нужного SSD. Некоторые разъемы выглядят просто похоже, поэтому взглянув на свободный разъем на материнской плате можно банально обознаться.

Либо, несмотря на наличие нужного разъема, материнская плата может просто не поддерживать нужный интерфейс.

Поэтому чтобы у вас таких проблем не возникало давайте для начала подробно разберемся в разъёмах, форм-факторах и интерфейсах.

Разъёмы и форм-факторы

2,5 SATA

Первый форм-фактор это всем нам хорошо известный 2,5-дюймовый диск. Выглядит он точно также как портативные жесткие диски, также подключаются к физическому разъёму SATA и работает через логический интерфейс SATA. Что, опять же, логично.

Сам разъём выглядит вот так. Он небольшой и с Г-образным ключом внутри.

Диски к нему подключаются через специальный плоский кабель, а кто хоть раз собирал комп помнят, что к этому же разъему также подключается DVD-приводы и прочая периферия.

M.2

Второй форм-фактор — M.2. Такие SSD подключается к одноименному разъёму на материнской плате напрямик и фиксируются винтиком. Разъём выглядит вот так.

С M.2 разъёмом всё куда сложнее, поэтому на нём остановимся поподробнее.

M.2 — это куда более современный стандарт, чем SATA. Он даже изначально назывался NGFF, что буквально значит Next Generation Form Factor или по-русски Форм-Фактор Следующего Поколения.

Разъем M.2 может поддерживать как интерфейс SATA, так и NVMe. Поэтому тут надо быть куда внимательней. Поэтому если на вашей старенькой материнской плате есть свободный M.2 разъем, не спешите покупать NVMe диск: для начала убедитесь, что ваша матринская плата в принципе поддерживает NVMe, а уж потом инвестируйте в железо.

Также можно ошибиться с размером диска. И в данном случае я говорю про физический размер. M.2 диски бывают четырех размеров у них всегда одинаковая ширина — 22 мм, но разная длина — 80, 60, 42 или 30 мм. В спецификациях к диску размер так и указывается 2280, 2260 и так далее.

На это нужно обращать внимание, потому как на материнских платах иногда места хватит только на формат 2242 или 30 мм, особенно часто такое бывает в ноутбуках.

Также стоит учитывать, что к M.2 разъёму часто подключают различные модули беспроводной связи: Wi-Fi, Bluetooth, NFC и прочее.

Поэтому, когда собираете новый комп, или делаете апгрейд старого, внимательно изучите, что это это за свободный слот и для чего его задумывал производитель.

SATA и M.2 диски — это два самых распространенных форм-фактора, но есть и другие варианты.

mSATA

Также не стоит путать M.2 с очень похожим на него разъёмом mSATA.

mSATA диски — это несколько устаревший формат, который раньше в основном использовался в ноутбуках для подключения SSD и всяких Wi-Fi адаптеров через интерфейс SATA.

Диски mSATA на вид очень похожи с М.2, но их легко отличить по креплению на два болтика, вместо одного у M.2 дисков.

U.2

Еще один редкий разъём — U.2. К нему подключается особый тип 2,5 дюймовых дисков также с разъёмом U.2 и всё это работает через интерфейс PCIe.

Основная фишка U.2 дисков — они поддерживают горячую замену, а поэтому используются в основном в серверном или ином профессиональном оборудовании и стоят бешеных денег.

PCI-Express

И, наконец, на материнской плате есть главный, королевский разъём — PCI-Express. Тот самый разъём куда вы подключаете видеокарты, карты захвата и прочие ништяки.

Так вот туда же можно подрубить эффектный PCI-Express NVMe диск, либо обычный M.2 диск через переходник. Вот такой вам лайфхак, на заметку.

Интерфейсы

Теперь давайте разберёмся в интерфейсах: SATA и NVMe. В чём отличия и кто круче?

Тут всё в принципе, просто. Интерфейс SATA — устаревший. Он содержит в себе кучу интерфейсных прослоек, которые увеличивают задержки и замедляют подключение. Вместо того, чтобы напрямую проехать по шоссе, ваши данные вынуждены ехать по узкой объездной дороге с кучей блокпостов. Поэтому даже самая последняя версия интерфейса — SATA III обеспечивает пропускную способность до 600 МБ/с.

Такой скорости более чем достаточно для HDD дисков, которые выдают максимум 150-200 МБ/с, но SSD-диски могут работать куда быстрее.

Именно поэтому, специально для раскрытия потенциалов SSD-дисков был придуман интерфейс нового поколения NVMe. Он работает через высокоскоростную шину PCIe и содержит минимум прослоек.

Считайте, что PCI-express это как раз то самое высокоскоростное шоссе от вашего SSD до процессора. Но точно также как и в жизни скорость передвижения по шоссе зависит от количества выделенных полос, то есть физического количества проводов которые подключены к разъему. Эти полосы называются линиями.

В случае с SSD-дисками линий бывает либо 2, либо 4.

2 линии PCIe 3.0, дают нам пропускную способность почти 2 Гбайта/с (1,97 если точнее). Это намного больше 600 МБ/с SATA III. Но для современных NVMe SSD такой скорости будет недостаточно. Поэтому чаще всего использует четырехполосный PCIe 3.0. В этом случае пропускная способность удваивается до 3,94 ГБ/с, что совсем не плохо. Но существует стандарт нового поколения 4 линии PCIe 4.0, которые обеспечивают скорость в 2 раза выше — до 7,88 Гбайт/с. Пока, что PCIe 4.0 поддерживает только консоли нового поколения. А также процессоры AMD с архитектурой Zen 2 и выше. Но вскоре Intel тоже включится в игру с настольными процессорами 11-го поколения Rocket Lake-S.

• SATA II — до 300 Мбайт/с
• SATA III — до 600 Мбайт/с
• PCIe 3.0 x2 — до 1,97 Гбайт/с
• PCIe 3.0 x4 — до 3,94 Гбайт/с
• PCIe 4.0 x4 — до 7,88 Гбайт/с

Итоги по интерфейсам

Понимаем, что информации много, оэтому давайте выдохнем и подведем некий промежуточный итог.

• Форм-факторов всего пять — 2,5” SATA, mSATA. 2,5” U.2, M.2, PCIe.
• Интерфейсов всего два — SATA и NVMe.
• NVMe — быстрый, SATA — медленный.

Диски формата 2,5” SATA и mSATA поддерживают только SATA-интерфейс, что логично.

Диски U.2 и PCIe карты, это всегда NVMe диски и работают через шину PCIe.

А вот диски формата M.2 бывают поддерживают как SATA, так и NVMe. И тут надо внимательно изучать спецификации материнской платы и самого диска.

Что и для чего покупать?

Теперь, что и для чего покупать? SATA-диски в 2021 году можно официально признать устаревшими. На практике такие диски способны выдавать 560 МБ/с на чтение/запись, что в пять раз медленнее, чем NVMe диски, при этом по цене большой разницы не будет.

Разве что SATA диск можно использовать в качестве системного диска, но хранить там только Windows, а программы и игры ставить на отдельный NVMe диск. Windows не особо пользуется преимуществами высокой скорости, а вот различный софт и игры умеют. Особенно стоит переживать за игры.

С выходом консолей нового поколения, требования к скорости SSD во всех новых релизах будут только расти. Поэтому лучше прямо сейчас брать быстрый диск на будущее.

Как не переплатить?

Но как выбрать хороший NVMe диск и не переплатить?

Для этого при выборе нужно будет обратить внимание на несколько вещей:

1. Тип ячеек памяти
2. Ресурс
3. Производитель
4. Позиционирование

Пойдём по порядку.

Ячейки памяти

Мы не раз рассказывали, что практически все современные потребительские SSD используют NAND-память. Если интересно поглубже копнуть как это устроено почитайте наш разбор про память в телефонах.

Данные в NAND памяти хранятся в ячейках, которые могут быть 4 типов:

1. SLC — ячейка хранит один бит информации,
2. MLC — ячейка хранит два бита информации,
3. TLC — ячейка хранит три бита информации,
4. QLC — ячейка хранит четыре бита информации.

Чем больше бит может хранить одна ячейка, тем более ёмким и дешевым получается накопитель. Но пропорционально емкости падает долговечность и скорость.

SLC дисков с одним зарядом на ячейку — сейчас в потребительском сегменте не бывает — слишком уж дорогая память.

MLC — где два бита — встречается в дорогих профессиональных линейках.

TLC память, с тремя зарядами на ячейку — это король потребительского сегмента. Такая память сочетает в себе оптимальную скорость, долговечность и стоимость.

QLC — самая дешевая память, но скорость и надежность работы вызывают вопросы.

Поэтому, если вам нужен SSD диск всерьёз и надолго, лучше брать TLC память.

Ресурс

Но как надолго хватит диска? Как известно, SSD-диски не вечны.

Каждый раз когда ячейка памяти перезаписывается, это немного её изнашивает, поэтому после определенного количества перезаписей, ячейка обязательно выйдет из строя. Поэтому в характеристиках производитель как правило указывают ресурс диска, который измеряется в суммарном числе перезаписываемых терабайтов или TWB — Terabytes written.

Например, для диска Western Digital WD Blue SN550 объёмом 500 ГБ, TWB составляет 300 ТБ. То есть, чтобы исчерпать ресурс в 300 ТБ, нам потребуется каждый день заливать на диск по 164 ГБ в течение 5 лет. Согласитесь, мало кто использует SSD так интенсивно. Соответственно для такого же диска емкостью 1 ТБ ресурс в два раза больше — 600 TWB.

Также на долговечность, скорость и стабильность работы очень влияет нагрев диска. Поэтому перед покупкой, обязательно почитайте комментарии и посмотрите обзоры. К примеру, диск WD Blue SN550 люди как раз выбирают из-за низкого нагрева.

Производитель

Еще не стоит покупать SSD диск от малоизвестного производителя. Почему это важно?

Многие не имеют своих технологий и производства, и просто собирают SSD из комплектующих разных поставщиков. Как правило, в этом случае используется самые дешевые компоненты, есть проблемы с контролем качества и прочее. Поэтому лучше обратиться к именитым брендам, которые имеют полный вертикальный стек разработки. То есть все компоненты будущего SSD — их собственное производство. Таких компаний не много, к примеру, это Western Digital.

Мы хорошо помним этот бренд по HDD дискам, которые они, по-прежнему, делают. Но после покупки компании SanDisk они стали одним из лидеров в производстве SSD.

Позиционирование

Ну и напоследок, при выборе диска очень помогает, если вы ориентируетесь в линейках от производителя. Это сэкономит вам время при выборе нужной модели. К примеру, у Western Digital для потребителей есть три линейки:

• WD Green — самый экономичные диски . Тут вы найдете недорогие SATA SSD
• WD Blue — оптимальной цена/качество. Тут уже есть отличные NAMe диски для работы и игр.
• WD Black — топовая линейка бескомпромиссного гейминга и обработки 8К видосов. Тут вам и поддержка PCI-Express 4.0 и вот такие скорости:

Итоги

Надеемся, что сегодня мы просто и понятно рассказали об SSD-дисках и том, как его выбрать в 2021 году. Как найти тот самый накопитель, который отличный и по цене, и по качеству?

Как на на маленькой карте памяти microSD размером буквально с ноготок помещается 1 терабайт данных? Такой вопрос нам задали в комментариях к видео про шифрование данных. Звучит интересно! Сегодня мы узнаем что находится внутри SD-карты и SSD-диска. Что объединяет современные чипы памяти со слоёным пирогом? И какой емкости будут наши диски и карты памяти через несколько лет?

Олды, кто помнит 2004 год? Тогда в продаже впервые появилась SD-карточка с рекордной на тот момент ёмкостью 1 гигабайт. Это было событием и карточку оценили в солидную сумму — 500 долларов США.

А спустя 15 лет представили карты памяти microSD объёмом 1 терабайт.

Но как за 15 лет мы научились размещать в тысячу раз больше информации на вдвое меньшем пространстве?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно понять:

Как устроены SD карточки?

Начнем с физической архитектуры. Если заглянуть под слой пластика SD или microSD карточки, мы увидим один небольшой чип — это контроллер памяти. И один или два больших чипа — это NAND флеш-память: самый распространенный на сегодня тип памяти. Такие же чипы можно встретить в флешках, SSD-дисках и внутри наших гаджетов. Короче, везде!

NAND И NOR

Но почему NAND флеш-память такая популярная? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте немного разберемся в том как флеш-память работает. Мы уже как-то рассказывали, что базовая единица современной флэш-памяти — это CTF-ячейка (CTF — Charge Trap Flash memory cell), то есть Ячейка с Ловушкой Заряда.

Это не образное выражение. Ячейка, действительно способна запирать внутри себя заряд и хранить его годами! Соответственно, если в ячейке есть заряд — это 1, если нет заряда — это 0.

Все ячейки организованы в структуру NAND. NAND — это такой логический элемент NOT-AND, то есть НЕ-И. Вот таблица его значений.

Фактически, это перевернутый вентиль И. По таблице истинности на выходе вентиля И мы получаем единицу только в случае если на оба входа тоже приходит единица. В NAND всё наоборот.

Кстати, NAND обладает интересным свойством — любая логическая функция может быть реализована с помощью комбинации NAND-вентилей. Это свойство NAND называется функциональной полнотой.

Например CMOS-матрицы или КМОП-матрицы, которые используются в большинстве современных цифровых камер, в том числе во всех мобильных телефонах могут быть полностью реализованы только на вентилях NAND.

• КМОП — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник
• CMOS — complementary metal-oxide-semiconductor

Свойство функциональной полноты NAND также разделяет с вентилями NOR, то есть НЕ-ИЛИ. К слову, NOR флеш-память тоже существует. Но почему всюду ставят именно NAND память, а не NOR?

NAND-память — интересная штука. Её можно сравнить с оптовыми закупками в супермаркете. Считывать и подавать напряжение в NAND ты можешь только на целую упаковку ячеек. Поэтому мы не можем считать или записать данные в какую-то конкретную ячейку.

В NOR памяти всё наоборот, у нас есть доступ каждой ячейке.

Вроде бы как очевидно превосходство NOR, но почему же тогда мы используем NAND?

Дело в том, что в NOR-памяти каждую ячейку нам на подключить отдельно. Всё это делает размер ячеек большим, а конструкцию массивной.

В NAND наоборот: ячейки подключаются последовательно друг за другом и это позволяет сделать ячейки маленькими и расположить их плотно друг к другу. Поэтому на NAND-чипе может поместиться в 16 раз больше данных чем на NOR-чипе.

Также это позволяет быстро считывать и записывать большие массивы данных, так как мы всегда одновременно оперируем группой ячеек.

 

Более того NOR-память не оптимальна для считывания и записи больших объёмов информации, но она выигрывает тогда, когда нужно считывать много мелких данных случайным образом. Поэтому NOR-память используют только в специфических задачах, например, для хранения и исполнения микропрограмм. Например BIOS вполне может быть записан в NOR-память, или даже прошивка в телефоне. По крайней мере раньше так точно делали.

А NAND-память идеально подходит для SSD, карт памяти и прочего.

2D NAND

Окей, NAND-память плотная, это выяснили. Но как её сделать еще плотнее?

Долгое время ячейки NAND укладывались столбцами горизонтально и получалась однослойная плоская структура. И производство памяти было похожим на производство процессоров — при помощи методов литографии. Такая память называлась 2D NAND или планарный NAND.

Соответственно, единственным способом уплотнения информации былоиспользования более тонких техпроцессов, что и делали производители.

Но к 2016 году производители достигли техпроцесса в 14-15 нанометров. Да-да, крутость памяти тоже можно мерить нанометрами. Но тем не менее это оказалось потолком для 2D NAND-памяти.

Получается, что в 2016 году прогресс остановился? Совсем нет.

Решение нашла компания Samsung. Понимая, что планарная, то есть плоская NAND находится на последнем издыхании, еще в 2013 году Samsung обогнала своих конкурентов и представила первое в отрасли устройство с 3D NAND-памятью.

Они взяли столбец с горизонтальными NAND ячейками и поставили его вертикально, поэтому 3D NAND ещё называют V-NAND или вертикальной NAND. Вы только посмотрите на эту красоту!

Вот эти красные штуки сверху — это битлайны (bit line), то есть каналы данных. А зелёные шутки — это слои ячеек памяти. И если раньше данные считывались с одного слоя и поступали в битлайн, то теперь данные со всех слоев стали поступать в канал одновременно!

Поэтому новая архитектура позволила не только существенно увеличить плотность информации, но и в два раза повысить чтения и записи, а также снизить энергопотребление на 50%!

Первый 3D NAND-чип состоял из 24 вертикальных слоёв. Сейчас норма составляет 128 слоев. Но уже в 2021 году производители перейдут на 256 слоев, а к 2023 году на 512, что позволит на одном флеш-чипе разместить до 12 терабайт данных.

Кхм-кхм. Минуточку! Внимательный читатель, мог заметить, что в приведенной табличке написано 12 терабит, откуда же тогда я взял терабайты? Дело в том, что 12 терабит помещается на одном кристалле флеш памяти, а в одном чипе можно разместить до 8 кристаллов друг над другом. Вот и получается 12 терабайт.

Но наращивать всё больше и больше этажей памяти невозможно бесконечно. Даже сейчас с производством возникает масса проблем. В отличии от 2D-памяти, которая производилась методом литографии, 3D NAND, по большей части, опирается на методы напыления и травления. Производство стало похожим на изготовление самого высокого в мире торта. Нужно было буквально наращивать идеально ровные слои памяти друг над другом, чтобы ничего не поплыло и не осело. Жуть!

Более того в этом слоёном пироге, нужно как-то проделать 2,5 миллиона идеально ровных каналов идущих сверху до низу. И если если когда было 32 слоя, производители с этим легко справлялись. То с увеличим количество слоев возникли проблемы. Всё как в жизни!

Поэтому производители стали использовать разные хаки: например, делать по 32 слоя и накладывать их друг на друга через изолятор. Но такие методы дороже в производстве и чреваты браком. Кстати, для любознательных, на текущий момент эти каналы проделываются не сверлом, в методом реактивного ионного травления (RIE). Проще говоря, бомбардировкой поверхности ионами.

SLC, MLC, TLC, QLC

Так что же мы снова уперлись в потолок? Теперь уже в буквальном смысле. Нет! Ведь на самом деле, можно не только увеличивать количество ячеек. Можно увеличивать количество данных внутри ячейки!

Те кто интересуется темой, или выбирал себе SSD диск наверняка знают, что бывает четыре типа ячеек памяти SLC, MLC, TLC, QLC.

SLC-ячейка (Single Layer Cell) может хранить всего 1 бит информации, то есть лишь нолик или единичку. Соответственно MLC-ячейка хранит уже 2 бита, TLC — 3, QLC -4.

Вроде бы круто! Но чем больше бит мы можем поместить в ячейку, тем медленнее будет происходить чтение, и главное — запись информации. А заодно тем менее надежной будет память.

Сейчас не будем на этом подробно останавливаться, но в двух словах в потребительских продуктах сейчас золотой стандарт — это TLC-память, то есть три бита. Это оптимальный вариант, по скорости, надежности и стоимости.

SLC и MLC — это крутые профессиональные решения.

А QLC — это бюджетный вариант, который подойдет для сценариев, в которых не надо часто перезаписывать данные.

Кстати, Intel уже готовит, преемника QLC — пятибитную PLC-память (Penta Level Cell).

Ответ на вопрос

Это, конечно, всё очень интересно, но может, вернёмся к изначальному вопросу: Как в уже сейчас в простой microSD-карточке помещается 1 терабайт?

Ну что ж, теперь когда мы всё знаем, отвечаем на вопрос.

Внутри карточки Micron (и скорее всего карточки SanDisk) используется одинаковый чип памяти. Это 96-слойная 3D NAND QLC-память. На одном кристалле такой памяти помещается 128 гигабайт данных. Но откуда же тогда 1 терабайт?

Как мы уже говорили раньше, в одном флеш-чипе помещается 8 кристаллов. Вот вам и 1 терабайт. Вот так всё просто!

Что нас ждёт в будущем?

Что ж, технологии производства флеш-памяти развиваются очень быстро. Уже через 2-3 года нам обещают чипы на 12 терабайт. А еще лет через 10, ну может 20, и за сотню терабайт перескочим. Тем более SD-карточки нового формата SD Ultra Capacity поддерживают емкость до 128 терабайт.

Непонятно одно — будут ли нам нужны SD-карточки через столько лет.

iPhone быстрые? Да! Но почему?

Apple мало что рассказывает нам про внутренности своих девайсов. Как будто скрывает от нас страшную тайну!

Например, знали ли вы что в iPhone и в Android используется совершенно разный тип флеш-памяти? NVMe в iPhone и UFS в Android.

Может в этом секрет скорости девайсов Apple? Сегодня разберемся в том, как устроена флеш-память. Узнаем, чем отличаются стандарты памяти? И главное — сравним, кто всё-таки быстрее Android или iPhone! Такой информации больше нигде не найдете. Так что, читайте и смотрите до конца!

Флеш-память

Начнём с того что на флешках, картах памяти, в смартфонах и SSD-дисках — везде используют один тот же тип памяти — флеш-память. Это современная технология, пришедшая на смену магнитным носителям информации, то есть жестким дискам.

У флеш-памяти куча преимуществ. Она энергоэффективная, дешевая, прочная и безумно компактная. На чипе размером с монетку помещается до терабайта данных!

Но как удаётся хранить такие огромные объемы информации при таких крошечных размерах?

Как работает флеш-память?

Давайте разберемся как устроена флеш-память.

Базовая единица современной флэш-памяти — это CTF-ячейка. Расшифровывается как Charge Trap Flash memory cell , то есть Память с Ловушкой Заряда. И это не какая-то образная ловушка а самая настоящая.

Эта ячейка способна запирать электроны внутри себя и хранить их годами! Примерно как ловушка из фильма «Охотники за привидениями». Так что даже если ваш SSD-диск ни к чему не подключен и просто так лежит в тумбочке, знайте — он полон энергии.

Наличие или отсутствие заряда в ячейке компьютер интерпретирует как нули и единицы. В общем-то как и всё в мире технологий.

Таких ячеек много и они стоят друг над другом. Поэтому такая компоновка ячеек называется Vertical NAND или VNAND. Она крайне эффективна и очень интересно организована.

Многоэтажная память

Небольшая аналогия. Представьте, что память — это огромный многоэтажный жилой комплекс, в котором каждая квартира — это ячейка памяти.

Так вот, в одном доме этого ЖК всегда 6 подъездов, на каждом этаже одного подъезда размещается 32 квартиры, т.е. ячейки памяти. А этажей в таком доме может быть аж 136 штук, но только если это самый современный дом. Такой дом с шестью подъездами называется блоком памяти.

К чему я это всё? NAND память организована так, что она не может просто считать и записывать данные в какую-то конкретную ячейку, ну или квартиру. Она сразу считывает или перезаписывает весь подъезд!

А если нужно что-то удалить, то стирается сразу целый дом, то есть блок памяти. Даже если вы просто решили выкинуть ковер в одной квартире — не важно. Весь дом под снос!

Поэтому прежде чем удалить что-либо приходится сначала скопировать всю информацию в соседний блок.

А если памяти на диске осталось мало, меньше 30% от общего объема, то скорость работы такого диска сильно замедляется. Просто потому, что приходится искать свободный блок- место для копирования.

Так что следите за тем, чтобы память на телефоне или SSD-диске были заполнены не более чем на 70%! Иначе всё будет тупить.

Кстати, по этой же причине стирание информации потребляет намного больше энергии, чем чтение и запись. Поэтому хотите сэкономить заряд, поменьше удаляйте файлы!

Напомню, что в жестких дисках, которые HDD, другая проблема. Там информация считывается по одной ячейке. Жесткий диск вращается, а считывающая головка ездит туда-сюда по всей поверхности диска. И, если файлы разбиты на фрагменты, хранящиеся в разных концах диска — скорость падает. Поэтому, для HDD полезна дефрагментация.

Что такое спецификация?

Но вернёмся к флеш-памяти. Естественно сам по себе чип с памятью бесполезен потому как всей этой сложной структурой нужно как-то управлять. Поэтому существуют целые технологические стеки, которые всё разруливают. Их называют стандартами или спецификациями.

Еще разок!

Есть чип с флеш-памятью, как правило это NAND память. Там хранятся данные.

А есть спецификация — это целый набор технологий вокруг чипа, программных и аппаратных, которые обеспечивают взаимодействия с памятью. Чем умнее спецификация, тем быстрее работает память.

Так какие же спецификации используются в наших смартфонах и какая из них самая умная? Давайте разберёмся.

eMMC

Выход первого iPhone в 2007 году спровоцировал постепенный отказ от карт памяти. Появилась потребность в новом стандарте недорогой флеш-памяти для мобильных устройств. Так появился eMMC, что значит встроенная Мультимедиа карта или Embedded Multimedia Card. То есть прям как eSIM (Embedded SIM).

Стандарт eMMС постепенно обновлялся и его скорости росли. И eMMC до сих пор используется в большинстве смартфонов, но данный стандарт явно не рекордсмен по скорости и сильно проигрывает тем же SSD дискам.

UFS

Тогда в 2014 году появился новый стандарт с нескромным названием Universal Flash Storage или UFS! Новый стандарт был всём лучше eMMC.

Во-первых, в UFS последовательный интерфейс. А это значит, что можно одновременно и записывать и считывать. eMMC мог делать только что-то одно. Поэтому UFS работает быстрее!

Во-вторых, он в два раза более энергоэффективный в простое.

Эффективнее работает с файлом подкачки когда ОЗУ забита. И еще, существуют UFS карты памяти, которые могут быть бесшовно интегрированы в внутреннем хранилищем! Это же полноценная модульная память!

Кстати, по этой причине, внутреннюю память телефона правильнее называть eUFS. Embedded, ну вы помните.

UFS вышел сразу же в версии 2.0 в 2015 году, а первым телефоном с этим стандартом стал Samsung Galaxy S6. Samsung так гордились скоростью памяти, что даже выкинули слот microSD из Galaxy S6. Казалось бы, судьба стандартов флеш-памяти предрешена — вот он новый король. Новый USB мира флеш-памяти.

Но внезапно выходит iPhone 6s и мы видим это!

Что? Как такое возможно? Что за чудо память в этих iPhone? Похоже, Apple пошли какой-то своей дорожкой. Если стандарты eMMC и UFS — наследники каких-то там детских карт памяти, то память в iPhone — прямой наследник взрослых SSD-дисков. Потому как в iPhone используется спецификация памяти NVMe. Такая же память используется в компах и ноутбуках.

NVMe

Название NVMe довольно сложно расшифровывается — NVM Express (NVMe, NVMHCI — от англ. Non-Volatile Memory Host Controller Interface Specification).

Но ключевое слово в названии Express! Почему?

Спецификация NVMe специально разрабатывалась для SSD-дисков с памятью NAND, подключенных по шине PCI Express.

NVMe создавался с нуля как новый способ эффективной работы с SSD-дисками. Из него убрали всё лишнее и сосредоточились на скорости.

Поэтому, благодаря короткому технологическому стеку, NVMe имеет большое преимущество при случайной записи и чтении блоков над остальными стандартами.

Что это значит?

Это свойство особенно полезно для работы операционной системы, которая постоянно считывает и генерит кучу маленьких файлов размером по 4 КБ. Случайное чтение и запись NVMe — это то, что делает iPhone таким быстрым.

Но, естественно, Apple не могли просто запихнуть целый SSD в смартфон. Они модифицировали протокол NVMe и разработали свой кастомный PCI-E контроллер.

Поэтому, то что стоит в iPhone — решение абсолютно уникальное и в своё время было революционным. А они об этом даже ничего не сказали! Как всегда делает Apple.

Такая же история с MacBook. Apple первыми оказались от HDD. И они всегда ставят самую быструю память в ноуты. Во многом поэтому, даже на более слабом железе Mac ощущаются быстрее Windows-ноутбуков.

Тесты

Но вернёмся к смартфонам. Мы выяснили, что Android используют UFS-память, а Айфоны NVMe. Но проблема в том, что сложно сказать какая память действительно быстрее.

Скажем так есть, крутое сравнение от компании Micron. На базе кастомного Android девайса они сравнили NVMe и UFS 2.1 и получили преимущество NVMe по всем показателям! Вот такие:

• Последовательная запись > 28%
• Последовательное чтение > 15% быстрее при последовательном чтении.
• IOPS (случайная запись и чтение) > 30%

CPDT Бенчмарк

Но кому это интересно? Сейчас много где есть UFS 3.0, а в Redmi K30 Pro вообще UFS 3.1.

Только посмотрите UFS 3.1 быстрее UFS 2.0 по разным показателям вплоть до 8 раз. Вот с чем надо сравнивать!

UFS 2.0 vs UFS 3.1

• Последовательное чтение — 6X
• Последовательная запись — 8X
• Случайное чтение — 5.3X
• Случайная запись — 5X

Значит надо просто скачать одинаковый тест под iPhone и Android, и готово! Мы узнаем — кто чемпион. Только знаете что? Нет такого теста! Поверьте мы искали. Есть спорные тесты с непонятной методологией (PerfonaceTest), но приличного ничего нет.

Кроме… Вот этого чудесного теста: Cross Platform Disk Test. Работает на всех платформах, подробно описана методология тестирования. И даже есть результаты тестов некоторых iPhone:

Но вот незадача, версия приложения для iOS так и не была выпущена.

Но мы не отчаялись! Как выяснилось, разработчика зовут Максим, он из Минска. Поэтому мы с ним связались и Макс любезно предоставил нам девелопер версию приложения под iOS.

Поэтому сегодня мы наверняка узнаем где всё-таки быстрее память: На самых последних iPhone или на самых крутых Android-смартфонах:

• iPhone 11 Pro — NVMe
• Oneplus 8 Pro — UFS 3.0
• Redmi K 30 Pro — UFS 3.1
• и Macbook Pro 16 — NVMe

В итоге побеждает дружба, в последовательной записи вроде бы все очень неплохо у Apple, но по произвольной они подчистую сливают Android-смартфонам.  В копировании — буквальное равенство результатов. При этом заметьте, что Poco F2 Pro с UFS 3.1 показал себя в тестах никак и проиграл и Sony Xperia 1 II, и OnePlus 8 Pro. Возможно решает не только это! А вот в сравнении с «взрослым» NVMe в ноутбуках мобильный NVMe в 3-4 раза медленнее и это конечно не радует. С другой стороны это значит, что смартфонам есть куда расти!

Еще раз хотим поблагодарить Максима за помощь и инструкции! Помните, тест не из лёгких, поэтому если у вас будет вылетать не ругайтесь!

В гонке мегапикселей и мегагерцев легко забыть, что прогресс дотягивается длинной рукой и до других вещей.

На этот раз ему помогла компания Samsung, упростившую подключение сменных SSD-накопителей к компьютерам и ноутбукам.
(далее…)