NAND — разновидность флеш-памяти, которая является одним из ключевых компонентов огромного количества электронных устройств. Где используется NAND, как связана с искусственным интеллектом, и почему сейчас такая память в дефиците?

Что такое NAND

NAND представляет собой один из видов флеш-памяти — постоянной перезаписываемой памяти на основе транзисторов с плавающим затвором. Свое название она получила благодаря организации ячеек в виде цепочек, напоминающих логические элементы «И-НЕ» («Not-AND»). Подобное устройство позволяет упаковывать их более плотно и обеспечивать большие скорости доступа, чем у флеш-памяти типа NOR («И-ИЛИ», «Not-OR»). Именно поэтому NAND получила куда более широкое распространение.

Современные разновидности микросхем NAND имеют 3D-компоновку, за счет которой ячейки памяти размещаются в несколько слоев.

Во всех устройствах, имеющих флеш-память для пользовательских данных, используется именно NAND. Сегодня ее можно встретить в огромном количестве различной электроники: как в самостоятельных накопителях вроде SSD или флешек, так и в виде встроенных чипов в «умных» устройствах — начиная от громоздких автомобилей и заканчивая миниатюрными смарт-часами.

Почему NAND так востребована сегодня

NAND была изобретена в 1989 году, и впервые появилась в потребительской электронике еще в середине 90-х. Однако долгое время она была дорога в производстве и не очень быстра. Поэтому чипы такой памяти использовались в ограниченных объемах лишь в тех устройствах, которые в силу своей компактности не могли работать с жесткими дисками.

С развитием технологий стоимость производства NAND снижалась, а скорость работы памяти и обслуживающих ее контроллеров росла. Благодаря этому к 2007 году на рынке появились первые накопители на базе NAND-памяти для компьютеров и ноутбуков — SSD.

К сегодняшнему дню представить ПК без твердотельных накопителей просто невозможно. Микросхемы NAND внутри них обеспечивают намного более высокие скорости операций с данными и имеют в разы меньшие задержки доступа, чем магнитные пластины жестких дисков.

Использование NAND критично для тех задач, которые требуют быстрого доступа с минимальными задержками к большим объемам памяти. В последние годы самой распространенной из них стал искусственный интеллект. ИИ-модели используют для обучения огромное количество информации, к хранилищу которой должен быть организован молниеносный доступ — иначе скорость этого процесса может снизиться в разы.

Тенденции потребления

В современном мире цифровой техники потребность в NAND растет не по дням, а по часам. Если в центрах обработки данных (ЦОД) раньше можно было обойтись относительно небольшими SSD для «горячих» данных и большими жесткими дисками для «холодных», то сегодня для задач искусственного интеллекта требуются кратно большие объемы твердотельных накопителей. Поэтому ежегодное потребление NAND в серверном сегменте все время растет — если в 2020 году оно составляло около 18% от объемов произведенной памяти, то к сегодняшнему дню эта цифра увеличилась вдвое.

И, хотя объемы производимой NAND с каждым годом увеличиваются примерно на 30–40%, серверы постепенно откусывают от ее «пирога» еще больший кусок. Из-за этого все меньше памяти остается для других основных потребителей — рынка мобильных устройств и ПК. Это можно наглядно проследить с помощью следующей таблицы.

* - прогноз на основе первых десяти месяцев

Как видим, для центров обработки данных с течением времени требуется все больше и больше NAND — в этом году они впервые обогнали по этому параметру исторически лидирующие мобильные устройства. И, судя по тому, что различные ИИ по мере совершенствования начинают требовать для своих нужд еще большие объемы памяти, такая тенденция будет продолжаться и дальше.

Как будет развиваться ситуация в будущем и чем на это ответят производители

Рост потребления NAND серверами не проходит бесследно для рынка электроники. Из-за дефицита памяти спрос на нее увеличивается, а производители начинают повышать цены. В свою очередь, это приводит к удорожанию конечных устройств с NAND. Особенно тех, которые оснащаются большими ее объемами: SSD-накопителей, готовых ПК и ноутбуков, смартфонов и планшетов.

Производители NAND не могут резко нарастить объемы ее производства: строительство новых фабрик — процесс долгий и затратный, а уже существующие мощности и так загружены на полную. Это усугубляется и тем, что три крупных производителя (Samsung, Micron, SK Hynix) сконцентрированы на выпуске чипов памяти HBM — ведь без них невозможно создание производительных ускорителей искусственного интеллекта. Перераспределение производственных мощностей в сторону NAND могло бы помочь сократить дефицит. Но до тех пор, пока HBM приносит большую прибыль, вряд ли кто-то из «большой тройки» на это пойдет. Поэтому основным способом борьбы с дефицитом флеш-памяти сегодня является технологический прогресс, позволяющий создавать чипы увеличенной емкости. Благодаря ему производители постепенно учатся «выращивать» 3D-стеки NAND с большим количеством слоев, а вдобавок — еще и склеивать больше таких стеков между собой. К примеру, SK Hynix за счет использования этих двух приемов нарастила общее количество слоев последнего поколения своей NAND с 238 до 321.

Наращивание слоев позволяет увеличить не только емкость, но и скорость памяти. Однако последней в серверах и так достаточно. Поэтому в погоне за удешевлением и более высокой плотностью NAND производители постепенно увеличивают количество бит, хранящихся в одной ее ячейке. Как результат, даже в ЦОД четырехбитная QLC NAND постепенно становится из экзотики вторым игроком: если в 2021 году ее имели лишь 10% серверных SSD, то к 2026 году их доля вплотную приблизится к половине.

Итоги

NAND-память — один из ключевых компонентов современной техники. Ее главными достоинствами являются скорость и компактность, благодаря которым эта память нашла приют в огромном количестве различных устройств. Среди потребительской техники основные объемы NAND приходятся на накопители для ПК, смартфоны и планшеты. Но из-за непрекращающегося бума искусственного интеллекта все больше такой памяти уходит в серверы, приводя к ее дефициту.

Подобный расклад сил на рынке приводит к эффекту домино: помимо NAND, дорожает оперативная память, память для видеокарт и даже жесткие диски, которые в условиях недостатка SSD все чаще используются в серверах для хранения «холодных» данных. Учитывая, что снижения востребованности NAND в ближайшее время не ожидается, такая ситуация останется с нами надолго.

Есть на Яндекс Маркет

Реклама. ООО «Яндекс Маркет», ИНН 9704254424, erid: 5jtCeReNx12oajvE4R4D7cT

Многие задаются вопросом, как хранить данные дома или на работе. Надо же не только установить систему на жесткий диск, но еще куда-то сложить несколько сезонов любимого сериала, фотографии друзей и родных, видео с котиками, да и для игр тоже нужно много места. А если вы работаете с большими объемами информации, то проблем становится еще больше. Но еще более требовательными являются центры обработки данных. И всем нужны большие накопители. Seagate представила самый большой жесткий диск, и его характеристики действительно впечатляют.

Самый большой жесткий диск

Человечество генерирует все больше данных, и их надо где-то хранить, поэтому мировые лидеры в производстве накопителей постоянно придумывают что-то новое. Так, в прошлом году Western Digital анонсировала накопители объемом 28 ТБ, но сейчас ее главный конкурент показал новинку на 30 ТБ — Seagate Exos Mozaic 3+, и сказал, что в ближайшее время выпустит модель на 32 ТБ. Но и это еще не все.

В основе жесткого диска с самой большой емкостью лежат 10 пластин по 3 ТБ каждая, а в скором времени производитель планирует увеличить емкость каждой пластины до 5 ТБ, тем самым еще больше увеличив общий объем накопителя.

Как работает HDD

Внутри крутятся пластины, а на расстоянии нескольких нанометров от них находится головка, которая намагничивает определенные сектора или, наоборот, считывает с них информацию. Диск крутится, «коромысло» с головкой двигается и все это с огромной скоростью.

В основе работы нового накопителя лежит технология тепловой гибридной записи HAMR (Heat-assisted magnetic recording — пер. термомагнитная запись), которая и позволила увеличить емкость HDD. При этом он сохранил свой физический размер на уровне форм-фактора 3.5”, вес и относительно низкий уровень шума.

Можно подумать, что технология HAMR является новинкой, но это не так, ведь работа над ней началась компанией Seagate еще в 1998 году, а спустя 20 лет — в 2018 году — был представлен первый жесткий диск, работавший на ней. Он имел емкость 16 ТБ, что тоже совсем не мало.

Во время работы HDD, созданного по этой технологии, при помощи вертикального нанофотонного лазера пластины нагреваются до высокой температуры. Сообщается о достижении локальной температуры в 400–500 градусов Цельсия. Это позволяет намагничивать сектора относительно слабым магнитом. Можно подумать, что температура влияет на свойства пластин, но ни на химические, ни на физические свойства пластин никакого воздействия нет. Зато технология позволила увеличить скорость последовательного чтения и записи. Как бонус, благодаря применению HAMR диски обладают высокой устойчивостью к внешним магнитным воздействиям.

Создание нового способа записи повлекло за собой необходимость создания новой считывающей головки. Потребность в этом возникла из-за того, что данные записываются более плотно и считать их применяемыми ранее методами было бы невозможно. По словам самой Seagate, считыватель Gen 7 Spintronic Reader является самым маленьким и самым чувствительным в мире датчиком магнитного поля.

А еще обновленные компоненты потребовали создания нового чипсета для управления всем накопителем. Он разработан специалистами Seagate, но все, что о нем известно, это то, что он построен по 12 нм техпроцессу и, скорее всего, базируется на архитектуре RISC-V. Других подробностей нет, да они и не так важны, если честно.

Сколько стоит самый большой HDD

Интересно, что несмотря на нововведения, стоимость накопителя не выросла драматически и остается на сопоставимом уровне относительно остальных подобных накопителей. Пока точная стоимость не озвучена, но, скорее всего, она будет установлена на уровне 450–460 долларов, что соответствует среднему по рынку порядку в 15 долларов за терабайт. В первую очередь это корпоративный продукт, которым уже заинтересовались многие ЦОД, провайдеры и компании с собственными дата-центрами.

Если вы захотите купить такой HDD, нужно подкопить денег. Но для дома лучше выбрать что-то меньшего объема, вроде накопителя Seagate на 22 ТБ, или более скромного Western Digital на 4 ТБ. А для резервного хранения данных стоит обратить внимание на хороший внешний жесткий диск.

Отгрузки уже начались в первом квартале 2024 года, но Seagate Exos Mozaic 3+ уже устанавливается в системы хранения данных Seagate Exos Corvault. Эти СХД представляют из себя стойку форм-фактора 4U с размещенными внутри 106 HDD, подключенными посредством интерфейса SAS.

Естественно, на 30 ТБ Seagate останавливаться на планирует и готовится к созданию четвертого поколения платформы Mozaic, которое обеспечит HDD емкостью до 40 ТБ, а в пятом поколении мы ждем и вовсе 50 ТБ.

Магнитная лента не исчезла насовсем и до сих пор используется в дата-центрах.

Высокая ёмкость

Это — одно из главных преимуществ магнитных лент. Когда в середине девяностых на прилавках магазинов появились коммерческие винчестеры объёмом в 1 ГБ, ленточные картриджи модели DDS-3 уже вмещали в двенадцать раз больше информации.

Немного истории

Некоторые исторические данные о ценах, чтобы увидеть, как менялась стоимость гигабайта. Конечно, гигабайт был смехотворной концепцией для всех, кроме true 13375 в 80-х.

Данные это подтверждают: существует очень сильная экспоненциальная корреляция в соотношении пространства/стоимости (r=0,9916). За последние 30 лет стоимость единицы пространства удваивалась примерно каждые 14 месяцев (увеличиваясь на порядок каждые 48 месяцев). Уравнение регрессии имеет вид:

Несколько терабайтных+ накопителей недавно преодолели барьер в $0,10/гигабайт, установив следующую веху в $0,01/гигабайт или $10/терабайт. Это вызывает скептицизм даже у самых ярых сторонников экспоненциального прогресса технологий. Как долго может продлиться эта тенденция? Приближаемся ли мы к концу эпохи закона Мура?

Наше время

В наше время сложилась аналогичная ситуация. Современные картриджи содержат больше километра ленты шириной в 12,6 миллиметра. На неё можно записать до 580 ТБ сжатых данных. При этом объём жёстких дисков для enterprise-сегмента лишь недавно побил отметку в 30 ТБ.

По сегодняшним потребительским стандартам магнитные ленты медленные, неудобные в использовании и относительно дорогие. Как оказалось, магнитная лента может предложить емкость, недоступную для современных жестких дисков. По крайней мере, IBM и Fujifilm  считают, что их недавно разработанный магнитный слой из феррита стронция (SrFe) позволит лентам LTO-8 хранить до 580 ТБ данных. Речь идет о плотности записи 317 ГБ/кв.дюйм, при длине ленты 1255 метров и общей емкости 580 ТБ.

Магнитная лента развивается подобно жестким дискам. Разработчики стремятся уменьшить ширину дорожки, чтобы увеличить плотность записи, уменьшить толщину ленты, чтобы увеличить длину ленты в картридже, и внедрить новые методы для надежной записи и последовательного чтения данных.

Низкая стоимость хранения данных

Стоимость хранения данных на магнитной ленте значительно ниже, чем у любых других накопителей. Один гигабайт на жёстком диске обходится примерно в $0,025. Для ленты этот показатель составляет $0,008. Известен случай с одной крупной генетической лабораторией, когда переход на магнитную ленту сократил расходы на хранение данных с $800 тысяч всего до $7 тысяч. При этом крупные ИТ-компании сегодня продолжают разрабатывать технологии, расширяющие возможности магнитных лент.

Долговечность

Известно, что ошибки на магнитной ленте возникают на четыре–пять порядков реже, чем в HDD. При правильном хранении они могут прослужить около 30 лет. Это больше, чем любые другие популярные сегодня накопители — HDD или SSD. Согласно статистике одного из крупных облачных провайдеров средний срок службы жёстких дисков редко превышает четыре года. Что касается твердотельных накопителей, по некоторым данным, они проживут порядка десяти лет, но только если устройствами регулярно пользоваться.

ИТ-компании по-прежнему разрабатывают технологии, задача которых — продлить срок жизни магнитной ленты. Два года назад IBM совместно с Sony представили плёнку, покрытую дополнительным смазочным слоем. Он защищает поверхность ленты от повреждения при её движении на скорости десять метров в секунду во время чтения.

Технологический прогресс

Одной из главных причин «ренессанса» магнитной ленты является тот факт, что многие недостатки, которыми она обладала в свои ранние годы, сегодня удалось исправить. Ранее накопитель подразумевал лишь последовательный доступ к данным, поэтому на поиск и чтение информации уходило 50–60 секунд. Для сравнения, у жёсткого диска этот показатель равен 5–10 миллисекундам.

Современные технологии нивелировали влияние этого недостатка. Новые картриджи поддерживают файловую систему LTFS. Она индексирует содержимое ленты, что ускоряет чтение данных и создаёт иллюзию произвольного доступа к ним.

Более того, ленточные хранилища, устанавливаемые в дата-центрах, автоматизированы. Масштабные роботизированные библиотеки могут занимать целый машинный зал. Особые манипуляторы выполняют автоматический поиск необходимых картриджей и оперативно загружают их в считывающие устройства.

Кто использует магнитную ленту

Компании, которым необходимо обрабатывать (и архивировать) большое количество данных. В первую очередь — ИТ-гиганты и облачные провайдеры. Ленты хранят бэкапы и другие редко используемые данные. К примеру, в 2011 году баг в системе привёл к удалению писем пользователей Gmail. Тогда компания Google восстановила данные именно с магнитных лент.

Магнитными лентами пользуются и исследовательские организации, например CERN. Каждую секунду Большой адронный коллайдер генерирует один гигабайт данных. Суммарный объём информации, собранной институтом по сей день, превышает 330 петабайт.

Для их хранения организация использует систему CASTOR на магнитной ленте, разработанную инженерами CERN. Её регулярно обновляют и переводят на более совершенные типы картриджей, чтобы увеличить ёмкость, надёжность и скорость работы. Вышедшие из эксплуатации накопители организация отдаёт инвесторам в качестве сувениров.

Также среди пользователей магнитной ленты можно выделить ИТ-компании, которые работают в области Big Data и разрабатывают системы искусственного интеллекта. Накопитель используют для хранения данных, генерируемых IoT-устройствами. К примеру, всего один беспилотный автомобиль может собирать до 30 ТБ данных в день.

Каждый год количество данных, которые генерирует человечество, экспоненциально растёт. Распространение IoT-устройств, систем искусственного интеллекта это только усугубляет. Количество компаний, использующих решения на основе магнитной ленты, будет расти вместе с этими рынками. Есть технологии вроде ДНК-хранилищ, которые в перспективе заменят магнитную ленту на посту «холодного хранилища», но об их практической реализации в крупных масштабах пока говорить не приходится.