Типы памяти серверных накопителей: как выбрать лучший вариант для вашего бизнеса

SSD-накопители стали основой надежного и эффективного хранения данных в современных вычислительных системах, особенно после появления первых NVMe-SSD в 2012 году. Сейчас их распихивают буквально во все дисковые отсеки и слоты M.2 для ускорения обработки информации и хранения больших объемов данных, а с недавнего времени SSD стали востребованы еще и в ИИ-инфраструктурах, позволяя значительно ускорить операции с KV-кэшем. Но несмотря на такую популярность, мало кто задумывается, что стоит за этим передовым типом накопителей. А стоит за ним огромная россыпь различных типов ячеек памяти и видов компоновки, которые и отвечают за высочайшую производительность и огромную емкость современных SSD.

Ячейка памяти SSD — это, по сути, обычный транзистор с плавающим затвором, который может хранить в себе 1 или более бит данных в виде электрического заряда. Чтобы записать данные в ячейку, контроллер SSD накопителя подает высокое положительное напряжение, и электроны запираются внутри затвора, а если необходимо стереть данные, то все происходит в точности наоборот — контроллер подает высокое отрицательное напряжение, и электроны выталкиваются из затвора. Чтобы прочитать данные, контроллер измеряет пороговое напряжение на ячейке и определяет, какая комбинация бит там записана. Ячейки, последовательно соединенные друг с другом в несколько слоев, образуют полноценный современный NAND-чип, которые лежат в основе всех современных SSD. 

Элементарная ячейка памяти NAND, представляющий из себя транзистор с плавающим затвором. Источник: Codeby School.

Именно количество бит, которые может храниться в ячейке, определяет разновидность ячеек памяти. Может показаться, что здесь работает принцип “Чем больше, тем лучше”, но это не совсем так. Действительно, увеличение количества бит в ячейке позволяет записывать больше данных и масштабировать емкость накопителя, однако из-за этого страдает стабильность. Контроллер SSD при чтении измеряет пороговое напряжение на ячейке и определяет, какая комбинация бит там записана. Чем больше бит в ячейке, тем больше градаций напряжения нужно различать контроллеру — и тем выше вероятность ошибки чтения, тем медленнее запись, и тем быстрее ячейка деградирует.

Да-да, несмотря на всю инновационность ячеек памяти SSD, они не бесконечны, в виду чего у накопителя есть определенный рабочий ресурс, который измеряется в циклах перезаписи. Каждый цикл “стирание-запись” постепенно разрушает оксидный слой, удерживающий заряд, и ячейка начинает “подтекать”. При достижении критического порога ячейка перестает надежно хранить данные. Важно, что если ячейка хранит, скажем, 4 бита (а это 16 возможных градаций напряжения), то деградация даже одного из пороговых напряжений делает нечитаемой всю ячейку целиком, а не только один бит. Именно поэтому с ростом битности на ячейку ресурс SSD падает экспоненциально.

Теперь, когда мы раскрыли вам секрет работы SSD-накопителей, пришло время более подробно рассказать об основных видах ячеек памяти SSD, их особенностях и сценариях использования.

Начнем, конечно же, с легендарного старичка SLC, который появился в далеком 1987 году благодаря усилиям гениальных японских инженеров компании Toshiba (ныне Kioxia), и вот уже более 40 лет этот тип памяти наводит шороху в индустрии вычислительных технологий. 

Ячейки SLC NAND могут хранить всего 1 бит, в них нету никаких сложных технических элементов, да и вообще, глядя на более современные типы ячеек может показаться, что это какой-то первобытный зверь. Но именно в этой простоте кроется вся суть SLC — этот тип ячеек буквально неубиваем. Ячейки SLC выдерживают от 50 000 до 100 000 циклов перезаписи, при этом они сохраняют высочайшую скорость работы: до 25 мкс на чтение, до 300 мкс на запись и до 2 мс на стирание, что делает этот тип памяти самым быстрым среди всех разновидностей ячеек SSD. Но в емкости SLC никак не могут конкурировать со своими более современными потомками. Кто-то искренне полагает, что SLC-память умерла вместе с ранними SSD. В действительности она живее всех живых — просто переехала в сегмент корпоративных серверных накопителей, ведь именно там надежность и выносливость ценится больше, чем максимальная емкость.

Ключевым производителем памяти SLC NAND в данный момент является компания Solidigm (бывшая Intel, нынешняя дочка SK hynix). Solidigm сохранила и развила наследие Intel в области SLC-памяти, выпуская накопители серии D7-P5810 емкостью до 1,6 ТБ и интерфейсом PCIe 4.0 x4, построенную на 144-слойной SLC 3D NAND с огромной выносливостью до 50 циклов случайной перезаписи в день (DWPD) для рабочих нагрузок с экстремальной интенсивностью записи. 

Несмотря на свои феноменальные показатели, память SLC так и не стала массовой из-за запредельной стоимости выпуска, усугубляющейся реалиями кризиса памяти. Компаниям, клиенты которых гонятся за высокой емкостью, просто невыгодно выпускать решения на 1-битных ячейках. Например, вместо выпуска SLC SSD емкостью 256 ГБ, производитель мог бы выпустить QLC SSD емкостью в 1 ТБ практически никак не вкладываясь в перенастройку оборудования, так как SLC и QLC в сущности являются одними и теми же NAND-кристаллами. Лишь считанные проценты компаний на рынке готовы переплачивать за большую надежность.

Следующий виток эволюции ячеек памяти SSD — память MLC, которая может хранить уже до 2 бит на ячейку. Интересно, что именно MLC в свое время стал главным популяризатором 3D NAND и в целом стал первым коммерчески успешным форматом многоуровневых ячеек. Ячейки MLC выдерживают от 3 000 до 10 000 циклов перезаписи и выдерживают умеренную скорость работы: до 55 мкс на чтение, до 900 мкс на запись и до 3 мс на стирание — конечно, это не рекорд и очень далеко от показателей SLC, но SSD-накопители с таким типом ячеек изначально создавались с упором на обеспечение повышенной емкости, что и сделало MLC настоящим прорывом в свое время.

В 2010-х годах на MLC строился весь корпоративный сегмент: Intel выпускала серии легендарных SSD-накопителей DC S3700 (10 полных перезаписей в день, конденсаторная защита от пропадания питания, ресурс под 10 петабайт записи и до 800 ГБ емкости в топовых моделях), Western Digital продвигала решения SSD800MM / SSD1600MM линейки HGST Ultrastar (25 полных перезаписей в день для моделей, конденсаторная защита, ресурс до 59 петабайт записи в топовых моделях, емкость до 1,6 ТБ), а Samsung выпускала самые емкие решения линейки 860 Pro с 4 ТБ памяти. Micron, Kioxia и Seagate в те времена тоже подтягивались к сегменту MLC, но их линейки были намного менее популярны решений “большой тройки”.

Однако в настоящее время MLC практически полностью замещен TLC NAND. И дело не в том, что технология плохая, а в том, что контроллеры и коды коррекции ошибок (LDPC) шагнули настолько далеко, что TLC-память по выносливости практически сравнялась с MLC образца 2015 года, а емкости MLC остановились на уровне 1,6 ТБ. Те немногие MLC-чипы, что еще доступны на рынке в следовом количестве, перекочевали в нишевые промышленные и встраиваемые решения, где важна долгосрочная доступность компонентов, а не передовая производительность. Индустрия вычислительных технологий сделала свой выбор, и он не в пользу 2 бит на ячейку.

Если SLC это узкое решение для корпоративного сегмента, а MLC это технология, канувшая в лету, то TLC — это ведущий стандарт ячеек памяти и абсолютный чемпион на рынке SSD-накопителей на данный момент, несмотря на свой почтенный возраст в 18 лет. Он сочетает в себе как высокую емкость за счет возможности хранения 3 бит на ячейку, так и повышенную надежность на уровне MLC-решений. Ячейки TLC куда менее живучие, чем его старшие братья, и выдерживают от 500 до 3 000 циклов перезаписи, однако это компенсируется еще большим увеличением емкости SSD до 30 ТБ данных. Кроме того, благодаря передовым контроллерам, сложным алгоритмам коррекции ошибок (LDPC — Low-Density Parity Check) и интеллектуальной прошивке, низкая выносливость TLC трансформируется в реальную выносливость на уровне 1-5 DWPD. Но скорости все же оставляют желать лучшего — до 80 мкс на чтение, до 1,5 мс на запись и до 5 мс на стирание. Это один из самых медленных видов ячеек памяти SSD, но его массовость и доступность сделала TLC абсолютным лидером продаж, ввиду чего 85%-90% всех выпускаемых NAND-чипов выпускаются именно с этим типом ячеек.

Именно с выходом TLC индустрия нашла ту самую “золотую середину”, которая удовлетворила подавляющее большинство сценариев использования — от массовых пользовательских ноутбуков до самых требовательных серверов в дата-центрах. Samsung со своей компоновкой V-NAND делает ставку именно на TLC в своих ключевых корпоративных моделях SSD. К примеру, накопитель Samsung PM9D3a с интерфейсом PCIe 5.0 x4 позволяет достичь астрономической емкости в 30.72 ТБ в стандартном 2.5-дюймовом форм-факторе, что привлекает владельцев корпоративных вычислительных инфраструктур. Компании Micron и Solidigm также предлагают решения на базе TLC NAND с аналогичной емкостью.

QLC — это самый молодой тип ячеек памяти из тех, что можно встретить в продаже на сегодняшний день. Появившийся лишь в 2019 году, QLC сразу зарекомендовал себя как решение для построения самых емких SSD-накопителей на данный момент, поскольку этот тип ячеек позволяет хранить до 4 бит. Но несмотря на рекордную плотность хранения, индустрия встретила QLC с огромным сомнением: выносливость на уровне 0.2-0.3 DWPD, низкая скорость записи и ограниченная пригодность для смешанных нагрузок выставляют этот тип ячеек явно не с лучшей его стороны. Однако в тех задачах, где важен именно объем хранения данных и высокая скорость чтения, вроде хранения ИИ-датасетов, у QLC в данный момент буквально нет никаких аналогов.

Яркий пример — SSD-накопитель Micron 6600 ION с интерфейсом PCIe 5.0 x4 , который обеспечивает феноменальную емкость до 245 ТБ благодаря использованию 276-слойной памяти G9 QLC NAND. При случайных операциях чтения блоками 4K накопитель демонстрирует до 0,4 мс, а при случайной записи около 15 мкс — грубо говоря, скорость чтения как у PCIe 5.0, а скорость записи на уровне PCIe 3.0. Заявленная надежность для последовательной записи Micron 6600 ION равна 1 полной перезаписи в день (DPWD), а для случайной записи 4K-блоками — 0,075 DWPD. Безусловно, хвастаться тут нечем, но Micron и не делала ставку на лучшую выносливость и скорость записи. Чтение и емкость, вот главные козыри Micron 6600 ION, и это уже подкупает многих интеграторов ИИ-систем.

До недавнего времени ячейки PLC с емкостью до 5 бит казались лабораторным экспериментом, далеким от реальности. Однако в условиях огромного спроса на емкость со стороны ИИ-нагрузок, PLC все больше и больше маячит в в заголовках тематических статей. Очевидно, что этот тип ячеек не станет новым флагманом в надежности и скорости SSD-накопителей, но он точно займет свою нишу там, где важна именно максимальная емкость хранения. SK hynix уже включает PLC в перечень официальных обозначений для типов NAND (вместе с SLC, MLC, TLC и QLC), что намекает на ведение активных разработок в этой области. На конференции IEDM 2025 корейские исследователи представили работу по оксинитриду бора как туннельному слою для “надежной работы PLC в 3D V-NAND”, и это также подтверждает, что концепцию PLC не стали откладывать в долгий ящик и уже готовятся взять на вооружение в обозримом будущем. Скорее всего, первые PLC SSD появятся лишь в 2028-2030 годах, но вряд ли они выйдут за пределы серверного сегмента.

Знатоки, возможно, спросят, почему же мы не добавили тип ячеек SSD 3D XPoint на основе технологии фазового перехода, которые использовались в легендарных SSD-накопителях Intel Optane с беспрецендентной производительностью и огромной скоростью. Ответ прост — наработки Intel вполне успешно перекочевали к компаниям Samsung и Kioxia, в результате чего появились идейные продолжатели 3D XPoint: Z-NAND / XL-FLASH.

• Z-NAND (Samsung): Впервые представлена в 2017–2018 годах с накопителем SZ985, а в 2025 году на FMS анонсирован перезапуск технологии. По физической основе это классическая 3D V-NAND (48 слоев в первом поколении, затем обновленная), но работающая исключительно в SLC-режиме — один бит на ячейку. Ключевой архитектурный трюк — уменьшенный размер страницы до 2–4 КБ (против стандартных 16 КБ у обычного TLC), что резко снижает задержки при случайном доступе и позволяет быстрее обрабатывать мелкие операции записи, а также обеспечивает выносливость до 30–60 полных перезаписей в день. С 3D XPoint технологию роднит позиционирование в классе Storage Class Memory с микросекундными задержками и недостижимой для обычных SSD выносливостью, однако принципиальное отличие — физика ячейки: Z-NAND остается зарядовой памятью на основе Charge Trap Flash, а не фазовой, и хотя задержки записи у нее немного выше (~16 мкс против ~10 мкс у Optane), она масштабируется проще и дешевле за счет использования существующих NAND-линий.
• XL-FLASH (Kioxia): Анонсирована Kioxia в 2019 году, первые коммерческие продукты — серия FL6 с интерфейсом PCIe 4.0. Базируется на 96-слойной 3D BiCS FLASH в SLC-режиме, но в отличие от обычного SLC использует параллельный доступ к 16 плоскостям (вместо привычных 4–8), что кратно увеличивает производительность случайного чтения и записи, а контроллер оптимизирован под минимальные задержки. Задержки чтения достигают 4 мкс, записи — порядка 75 мкс, выносливость до 60 DWPD. Как и 3D XPoint, XL-FLASH нацелена на ультранизкие задержки и экстремальную выносливость для роли SCM, однако это не фазовая память, а форсированная SLC NAND: время записи не рекордное (~75 мкс, почти на порядок выше, чем у Optane), зато плотность и стоимость производства гораздо привлекательнее благодаря совместимости с выпуском BiCS-пластин.

Если битность определяет компромисс между скоростью, выносливостью и ценой, то компоновка дает возможность масштабировать этот компромисс до современных емкостей SSD. Упаковка ячеек напрямую влияет на плотность записи, а косвенно — даже те же скорость, задержки и надежность, поскольку определяет, насколько сильно соседние ячейки расположены рядом друг с другом и сколько операций можно между ними распараллелить. 

• 3D NAND (V-NAND): 99% современных SSD используют именно трехмерную компоновку — слои ячеек ставят друг на друга, а не размещают рядом, что значительно экономит место на плате накопителя и позволяет наращивать емкость. Изначально такой способ компоновки был недостижим из-за ограничений технологий травления чипов: протравливать вертикальный канал сквозь десятки чередующихся слоев без изгибов и замыканий чрезвычайно сложно. Но к 2013 году Samsung все же удалось преодолеть этот барьер и выпустить 24 слойную 3D NAND, и это долгое время оставалось стандартом. Позднее появились ячейки на 32, 48, 52 слоев от различных компаний, и так постепенно индустрия подошла к  232, а затем и более 300 слоям. Сейчас осваивают гибридный бондинг и сегнетоэлектрические материалы, и индустрия нацелилась на достижение 1000 слоев примерно к 2030 году.
• 2D NAND (Planar NAND): Уже мертвая технология. Ячейки располагались бок о бок в одной плоскости, а прогресс упирался в литографию — при зазорах 15–20 нм начинались паразитные связи, и заряд становился непредсказуемым. Kioxia официально объявила EOL на всю 2D NAND (последние заказы — сентябрь 2026-го, финальные отгрузки — конец 2028-го), а остальные крупные производители прекратили выпуск еще раньше. Сегодня все слои размещают вертикально, друг над другом.

Как мы выяснили, ни один тип ячеек памяти нельзя назвать универсальным — все они имеют как положительные стороны, так и огромные недостатки, что и предопределяет сценарий использования SSD-накопителей на их базе. Там, где на первом месте стоит надежность и скорость записи, выбирают SLC NAND, там, где важна максимальная емкость и скорость чтения, выбирают QLC NAND, а там, где нужен компромисс между выносливостью и быстротой, выбирают TLC. Ну а про MLC и PLC и говорить нечего — первая уже окночательно ушла на покой, а вторая появится лишь спустя пару лет. Тем не менее, если вы решили приобрести SSD-накопитель для своей серверной инфраструктуры, всегда обращайте внимание на тип ячеек памяти, если не хотите получить решение, которое не соотносится с вашими задачами. А если вы не хотите забивать себе голову аббревиатурами и запоминать особенности каждого типа SSD, просто обращайтесь в компанию ServerFlow — мы поможем выбрать накопитель, который идеально подойдет для вашей системы, подберем оптимальную конфигурацию и проведем вас за руку от покупки оборудования до его развертывания и запуска в эксплуатацию.