Genel

SSD Devrimi ve Manyetik Disklerin Sonu

SSD Devrimi ve Manyetik Disklerin Sonu

Flash teknolojisinin ağır sikletleri her yıl depolamanın kaderini belirleyecek etkinlikler için California’daki Santa Clara Convention Center’da yapılan Flash Bellek Zirvesi’nde bir araya geliyor. Sektörün devleri burada SSD alanında yaptıkları yenilikleri, elde ettikleri başarıları paylaşıyor. Elbette konu her zaman yeni flash yongalar, bellek çipleri ve denetleyiciler üzerinde yoğunlaşıyor. Bu yılki etkinliklerde en yeni teknolojik gelişmeler depolama yoğunluğuna yönelmişti ve 4 büyük oyuncu tarafından tanıtıldı: Samsung, IMFT (Intel/Micron), Flash Forward (Toshiba/Western Digital) ve Hynix.

2D-NAND vs 3D-NAND

Çok daha geniş kapasiteli SSD trendi, birkaç yıl önce 3D-NAND teknolojisine geçilmesiyle başladı. Daha önce bellek hücreleri tek katman üzerinde, yan yana yerleştiriliyordu. Ancak yeni tip Flash belleklerde hücreler aynı zamanda küp şeklinde üst üste diziliyor. Zirvede tanıtımı yapılan 3D-NAND optimizasyonu sayesinde bu yongalar, dönen aluminyum disklere veri yazan geleneksel manyetik sabit disklerin (HDD) pazardaki egemenliğine hızla son veriyor.

Manyetik Disk Piyasasında Durgunluk

Manyetik Disk Piyasasında Durgunluk

Geçen yıl Ağustos 2017 başında gerçekleşen zirvede, 30-50 terabayt kapasiteli SSD’ler tanıtıldı. Hatta Samsung, 128TB kapasiteli SSD ürününü duyurdu. Bu durumda manyetik disklerin maksimum kapasitesi (12TB) nispeten düşük kaldı. Halihazırda 3.5” ebadında bir kasa içine 14TB veri sığdırmak mümkün. Ayrıca manyetik disk teknolojisinin gelişmesi de bir durağanlık evresinde: Depolama kapasitesi iki katına çıkarılabilecek olmasına rağmen HAMR gibi yıllar önce duyurulmuş teknik geliştirmeler bile henüz pazara sunulacak olgunluğa erişemedi (“Isı destekli manyetik kayıt” anlamına gelen HAMR teknolojisinde disk üzerindeki metal izler lazer ile ısıtılarak çok daha ufak boyutlu alanları manyetize edebiliyor). Yukarıdaki cümlede anahtar kelime “rağmen”. Gayet enerjik ilerleyen flash sektörünün karşısındaki tehdit ise gelişme hızı. Bu durumun bir örneği, zirve sırasında Samsung tarafından verildi: NGSFF (Gelecek Nesil Küçük Form Faktör) ile üretilen ve 16TB kapasiteye sahip bir SSD, yalnızca 10 cm. boyundaki bir devre kartı üzerine sığabiliyor (sağda). Ancak tabii ki normal PC kullanıcısı ufak bir servet değerindeki bu diskin yanına bile yaklaşamıyor; ürün sadece very merkezlerinde kullanılmak için üretiliyor. Yani GB başına fiyat sözkonusu olduğunda dostumuz hala manyetik disk.

Bellek Sektörü SSD’den Yana

Diğer taraftan, Micron’da SSD geliştirmeden sorumlu Currie Munce (sağda) gibi sektör uzmanlarının sordukları bir soru da manyetik disklerin sonunun yaklaşıp yaklaşmadığı. Son iki manyetik disk üreticisi diyebileceğimiz Western Digital ve Seagate, yıllardır SSD pazarına adım atmaya çalışıyor. Bu doğrultuda aralarında Seagate ve Hynix firmalarının da bulunduğu bir yatırımcı grubu, Toshiba’nın bellek departmanını satın aldı. Bu gelişme tabii ki (yeni flash teknolojileri geliştirmek amacıyla Toshiba ile işbirliği yapmış olan) Western Digital için kötü bir haber oldu.

Zirvede ayrıca Seagate, gelecekte veri merkezleri tarafından yapılacak yatırımların yalnızca %5’inin manyetik diskleri kapsayacağını öngören bir istatistik sundu. Gartner analistlerine göre de doygunluğa ulaşmış PC pazarında önümüzdeki 5 yıl içinde SSD disk yaklaşık %20 büyüme gösterecek. Tabii manyetik disk de aynı oranda pazar kaybına uğrayacak. Hatta başka bir tahminin doğru çıkması, bu trendi daha da hızlandıracak: SSD’lerde GB başına fiyat, önümüzdeki 5-6 yıl içinde %75 düşüş gösterecek. Yani yonga başına fiyat değil, depolama yoğunluğu artacak.

Flash Depolamanın Üç Boyutu

Flash belleklerde 3D mimarisine geçişin sonuçları önümüzdeki yıl daha belirgin şekilde ortaya çıkacak. SSD disklerin fiyatları henüz düşmeye başlamadı. Bu cihazlara olan talebin artması, üreticilerin 3D-NAND üretimine daha fazla yatırım yapmaları anlamına geliyor. Tabii ki 2D-NAND üretimi hala sürüyor, ancak teknoloji anlamında sınırlarına çoktan ulaşmış durumda.

Flash Belleklerde Teknik Engellerin Aşılması

Malzeme olarak bakıldığında 3D flash hücreler, PC işlemcileri ile aynı tip transistörlerden oluşuyor. Bu hücrelerde elektrik yükü depolayan, “kayar nokta kapısı” (“floating gate”, FG) adı verilen bir transistör bulunuyor. (Bu arada, “kayar nokta kapısı” terimi yine ezberci bir tercüme olarak dilimize geçti. Kayar nokta aritmetiğinde ve bilgilsayarda bu işlemleri yapan yongaların kapasitelerini tanımlamak için “floating point” terimini gördüğümüz için, belli ki “floating” kelimesini gördüğümüz her yere “nokta”yı da eklemeyi uygun görmüşüz. Yoksa burada bir kayar nokta hesaplaması yok) Bu transistörün barındırdığı voltaj durumundaki değişim, hücrede depolanmış olan veri bitlerinin değerini 0 veya 1 olarak belirliyor. Diğer taraftan depolama mekanizması bazen zorlaşabiliyor çünkü birazdan bahsedeceğimiz gibi, 4 bite kadar depolayabilen daha karmaşık türleri de mevcut. Günümüzde kullanılan 16 nanometre teknojisinde depolama yoğunluğunu arttırmak amacıyla 2D flash hücrelerini sıkıştırmak. Özellikle üretim giderlerinde- epey yüksek masraflar doğuruyor. Flash hücreleri üst üste katmanlar halinde istifleme yaklaşımı, yani 3D-NAND teknolojisi, gittikçe daha küçük yapılar elde etmeye çabaladığımız bir dönemin geride kaldığını haber veriyor. Bunun yerine artık katman sayısındaki artıştan bahsedeceğiz. İlk kez 2012 yılında Samsung tarafından tanıtılan birinci nesil 3D-NAND teknolojisinde 24 katman flash hücresi bulunuyordu. İlk 3D-NAND kullanan ilk SSD’lerde ise 32 katman vardı. Günümüzde SSD’ler genel olarak 48 katmanlı yapıda üretiliyor. Geçen yılın Temmuz ayında Intel’in çıkardığı 545s serisi ise dünyanın ilk 64 katman kullanan 3D-NAND SSD’si idi. Pazar lideri Samsung, Intel’in adımlarını takip ederek geçtiğimiz ay 31TB kapasiteli V-NAND (şirket 3D yerine dikey anlamında “vertical” terimini kullanmayı tercih ediyor) disklerin üretimini duyurdu. Yani katmanlar üstü üste dizildikçe depolama kapasitesi de hızla artıyor. En yeni 2D flash cihazlar bile milimetrekare başına 1GBit değerini anca görebiiyorken yeni nesil 3D-NAND teknolojisi sayesinde 4Gbit’e kadar görmemiz mümkün.

Milimetrekare Başına 6GBit

Katmanların gittikçe artacağını söylemeye gerek bile yok. Bu yıl sonlarına doğru 96 katman bile normal sayılacak. En büyük iki üretici, Samsung ve Toshiba, bu geçişi çoktan duyurdu. Bu dizilimde depolama yoğunluğu mm2 başına 6Gbit’e çıkıyor. Diğer taraftan sektör uzmanları flash hücreleri bir silikon üzerinde üst üste yığmanın da bir sonu olduğu kanısında. Toshiba’nın kıdemli geliştirme mühendislerinden Jeff Ohsima, “Buradaki teknik gereksinim, katmanlar arasında (flash hücreleri doldurmak için) eşit delikler açmak. Ancak bu şekilde her katmanda aynı performansı almak mümkün olabilir” diyor. Flash plakalar üzerinde delik açan makineleri üreten Lam Research şirketi uzmanları ise 100 katman oluşturmanın bile mümkün olduğuna inanıyor.

3D-NAND bloklar elde etmek için yapılabilecek tek şey tekil hücreleri üst üste koymak değil elbette. Depolama yoğunluğunu birkaç kat arttırmak için bu bloklardan birkaçı da üst üste koyulabiliyor. Üreticiler blok katmanlarını veya plakaları birbirine bağlamak için birkaç yıldır wire-bonding adı verilen tekniği (solda) kullanıyorlar. Günümüzde kullanılan standart yapılandırmada, 8’li ve 16’lı plakalar birleştiriliyor.

Tek Yongada 4 Terabayt

Zirvede Samsung tarafından duyurulan 128TB SSD’nin 32 plakalı katmanlardan oluşması öngörülüyor. Tabii bu bir rekor olacak, zira tırnak boyutunda bir alanda 4TB kapasite göreceğiz. Böylesi bir yonganın boyutu normalde 11-20mm arasında değişiyor. Wire-bonding tekniğinde plakalar devre kartına dış kenarlarda bulunan ince fiber kablolar yardımı ile bağlanıyor. Ancak bu yöntem bazı sınırlamalara sahip çünkü çok fazla enerji tüketiyor ve yer kaplıyor. Ayrıca sinyal tutarlılığı açısından da hataya açık olduğu biliniyor. Bu olumsuz etkiler, özellikle katmanlar arttıkça daha da belirgin hale geliyor.

Bu sebepten dolayı Toshiba, yeni bir bağlantı teknolojisine geçmeye karar verdi. Temmuz ayı başlarında şirket 3D-NAND katmanları silikon içinden geçen kanallarla (TSV) birbirine bağlanmış ilk flash yongalarını sundu. Bu özel yöntemde 50 mikrometre (milimetrenin 1000’de biri) çapında hatlar doğrudan katmanların içinden teker teker geçiyor ve devre kartına ulaşıyor. Toshiba’ya göre bu yapılandırma flash belleğin güç tüketimini yarıya indirirken aynı zamanda transfer hızını da arttırıyor. Toshiba’nın yongaları 8 veya 16 katmanı TSV ile bağlıyor. Şirketin hedefi 32 katmana ulaşmak.

Flash Hücrenin Devrimi

SSD disklerde depolama yoğunluğunu daha da arttırma çabası şimdilerde bilindik bir yöntem üzerine odaklanmış durumda: 4bit tutabilen hücreler yapılıyor. Daha önce ise pratikte ancak 3bit’e ulaşılabiliyordu. Bu artış 2D-3D geçişi ile de alakalı: 3D flash hücreler daha sağlam oldukları için birkaç yazma işleminin ardından bozulmak yerine daha fazla kez ve daha yüksek miktarda bit depolayabiliyorlar.

Tek Hücrede Bir Kaç Bit Depolamak

Flash hücreler, verilen voltaj seviyesi ile kaç bit ve hangi bitlerin depolandığına dair bilgiye sahiptir. Voltaj seviyesi ise başta bahsettiğimiz kayar nokta kapısının kaç elektron hapsettiğine bağlı olarak değişir. Burada sorun, flash hücre üzerine her veri yazılışında kayar nokta kapısının kararlılığının azalması. Kapı çevresindeki izolasyon katmanı gittikçe zayıflayarak sonunda elektronları tutamayacak hale geliyor.

Bir Flash hücre tek bir bit kullanırsa bu durum çok da problem oluşturmuyor çünkü 0 ve 1 değerleri için toplam 2 voltaj seviyesine sahip. Bu tek seviyeli hücreler (“single-level cell”, SLC) 100 bin yazma işlemine rahatlıkla dayanabiliyor. Üreticiler ise daha yüksek depolama yoğunluğu elde etmek için 3 seviyeli hücreler (“triple-level cell”, TLC) kullanmayı tercih ediyor. 3 bit depolayabilmek için bu hücrelerin 8 voltaj seviyesini doğru bir şekilde sağlamaları gerekiyor (sağda) 2D flash üzerinde bir TLC yalnızca 1000 yazma işlemine dayanabiliyor. Bu rakamın düşük olmasının sebeplerinden biri de flash üreticilerinin –yine depolama yoğunluğunu arttırmak amacıyla- çok ufak 2D flash yapıları geliştirmiş olmaları. Bu sıkıştırma süreci sayesinde 16 nanometre mimarisine kadar gelinmiş olsa da, FG tarafından tutulabilen maksimum elektron sayısından fedakarlık ediliyor. Sonuç olarak voltaj seviyeleri birbirine yaklaşıyor ve hata olasılığı artıyor.

Üçüncü Boyutla Gelen 4 Seviyeli Hücreler

3D Flash işte tam burada devreye giriyor: 3D hücreler 2D hücrelerden daha büyük (50-70 nanometre çapında). Yani çok daha sağlam ve daha fazla sayıda elektron alabilir. Samsung, 64 katmanlı 3D-NAND ile en az 7000 yazma işlemini başarıyla gerçekleştirebildiğini iddia ediyor. Toshiba ise bir adım ileri giderek 4 bit depolamak için 16 voltaj seviyesi kullanan 4 seviyeli hücrelerden (quad-level cell, QLC) oluşan 3D-NAND bellek yongalarına sahip cihazları duyurdu. Toshiba’ya göre hücreler 1000 yazma döngüsünü tamamlayabiliyor. Bu da (bir masaüstü bilgisayardaki SSD için) birkaç yıllık kullanım anlamına geliyor.

Samsung ve Micron şirketleri de QLC SSD’lerini 2018’de sunacaklarını vaadetmişlerdi. Bu cihazlardaki 3D Flash birimlerde ise 96 hücre katmanı bulunuyor. Aslında sunucu pazarı için geliştirilmiş olsalar da biliyoruz ki bunlar en geç bir yıl içinde tüketici piyasasına ulaşacak (belki TSV yongalar bir istisna olabilir, zira üretim süreçleri henüz pahalı. Onlar da şimdilik büyük verimerkezlerinde kullanılan SSD’lere hitap ediyorlar). Bu arada, burada bahsettiğimiz yenilikler manyetik disklerin artık üretilmeyeceği anlamına gelmiyor. Zira, -en azından yakın gelecek için