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.