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Samsung entame la production des SSD V-NAND de 6e génération

Dotées de composants où sont empilées plus de 100 couches de cellules NAND, ces nouvelles unités de stockage devraient rivaliser avec les 3D XPoint de seconde génération d’ici à fin 2020.

Samsung vient de lancer la production en série des SSD basés sur la sixième génération de son architecture V-NAND. Dans celle-ci, les composants Flash sont constitués de 128 couches de cellules empilées les unes sur les autres, ce qui figure un nouveau record parmi les composants de type 3D NAND. Ce design va permettre à Samsung de proposer des SSD encore plus capacitifs, plus rapides et moins énergivores que les habituels disques Flash.

La sixième génération de V-NAND intègre par ailleurs un circuit inédit censé augmenter la vitesse des transferts de données de 10 %. Il permettrait accessoirement de réduire la consommation électrique de plus de 15 %.

Samsung n’a pas encore communiqué les caractéristiques que ces nouveaux SSD V-NAND Gen6 auront en sortie d’usine. Sur un marché où le secret industriel est de mise, il indique aux curieux qu’il y aura en tout cas un modèle de 250 Go avec connectique SATA pour PC, c’est-à-dire certainement le modèle le moins attendu pour une architecture censée repousser les limites actuelles. Des séries avec des capacités plus importantes et conçues pour les datacenters sont a priori prévues pour succéder aux quatre modèles de SSD V-NAND que Samsung commercialise aujourd’hui, à destination des serveurs et des baies de stockage.

Il faudra néanmoins s’armer de patience. S’il respecte son calendrier, Samsung lancera les SSD V-NAND de sixième génération pour datacenters entre fin 2020 et début 2021. Ils déclineront les modèles pour PC qui seront lancés en janvier 2020, avec un firmware et un cache repensés pour soutenir les charges de travail sur serveurs et baies de disques.

En attendant, Samsung commercialisera, tout au début de l’année 2020, deux nouveaux SSD pour datacenters, les modèles PM1733 et PM1735, mais basés sur des composants V-NAND de cinquième génération (96 couches). Les SSD V-NAND pour datacenters actuellement commercialisés ont pour leur part une architecture V-NAND de quatrième génération, à 64 couches. Ils sont arrivés sur le marché il y a un an et déclinent des modèles « EVO » pour PC sortis encore un an plus tôt.

Le Samsung PM1735 à 96 couches atteindra une capacité de 12,8 To, soit environ 6,5 fois la capacité de 1,9 To proposée par l’actuel Samsung 983 DCT à 64 couches. On ignore pour l’heure si Samsung parviendra à multiplier encore d’autant la capacité sur ses SSD V-NAND de 6e génération.

Selon nos sources, les laboratoires de Samsung planchent déjà sur la 7e génération de V-NAND, laquelle permettra d’empiler environ 320 couches de cellules dans les composants.

V-NAND, alias Vertical-NAND, est le nom de l’architecture 3D NAND particulière de Samsung. Les composants 3D NAND empilent les couches de cellules NAND afin d’augmenter significativement la capacité d’un SSD. Cette technique est plus efficace que l’augmentation usuelle du nombre de bits par cellule.

Non seulement la croissance en capacité est plus importante d’une génération à l’autre, mais, surtout, la multiplication des couches n’impacte ni la vitesse d’écriture ni la durée de vie des SSD. Cela a été le cas lorsque les constructeurs sont successivement passés des cellules SLC (1 bit), à MLC (2 bits), TLC (3 bits) et, aujourd’hui, QLC (4 bits). Des NAND à cellules PLC (5 bits) sont attendues pour la fin 2020.

Cela dit, les deux techniques se cumulent. Les SSD V-NAND de Samsung ont actuellement des cellules TLC, ce qui leur permet de se prévaloir d’une meilleure vitesse et d’une meilleure endurance que les SSD QLC, tout en ayant une capacité plus importante.

Rivaliser avec la technologie 3D XPoint dans les datacenters

Dans le domaine des disques Flash pour Datacenter, l’enjeu de Samsung est surtout de battre de vitesse le couple Intel-Micron qui a, lui aussi, une technologie propre pour proposer de grandes capacités sans pour autant perdre en vitesse et en durée de vie : l’architecture 3D XPoint.

L’intérêt principal des composants 3D Xpoint est que, contrairement aux NAND, ils n’utilisent pas de transistors. Leurs cellules sont faites d’un matériau qui accepte deux niveaux de résistance électrique, à l’intersection de canaux perpendiculaires qui servent soit à modifier leur état soit à le lire. Il en résulte que les SSD 3D XPoint sont aussi rapides en écriture qu’en lecture et qu’ils ne s’usent pas. En revanche, ils coûtent aussi bien plus cher à fabriquer.

La compétition entre V-NAND et 3 D XPoint peut se résumer avec la chronologie de SSD NVMe suivante :

2017 : Intel Optane DC P4800X, 3 D XPoint Gen1, 4 canaux PCIe Gen3.0, 550 000 IOPS en lecture comme en écriture, 2,5 Go/s en lecture comme en écriture, latence de 10 microsecondes en lecture comme en écriture, jusqu’à 1,5 To de capacité. Actuellement à environ 3,50 €/Go.

2018 : Samsung 983 ZET, Z-NAND 64 couches SLC Gen4, 4 canaux PCIe Gen3.0, 750 000 IOPS en lecture, mais 75.000 IOPS en écriture, 3,4 Go/s en lecture, 3 Go/s en écriture, latence de 30 microsecondes en lecture comme en écriture, jusqu’à 960 Go de capacité. Actuellement à environ 2 €/Go.

2019 : Samsung 983 DCT, 3 Go de DDR4 en guise de cache pour les écritures, V-NAND 64 couches TLC Gen4, 4 canaux PCIe Gen3.0, 540 000 IOPS en lecture, 50.000 IOPS en écriture, 3 Go/s en lecture, 1,9 Go/s en écriture, latence de 130 microsecondes en lecture, 90 microsecondes en écriture, jusqu’à 1,9 To de capacité. Actuellement à environ 0,20 €/Go.

2020 : Micron X100, 3 D XPoint Gen2, 16 canaux PCIe Gen3.0, 2.500.000 IOPS en lecture comme en écriture, 9 Go/s en lecture comme en écriture, latence de 8 microsecondes en lecture comme en écriture, capacité et prix encore inconnus.

2020 : Samsung PM1735, RAM cache inconnue, V-NAND 96 couches TLC Gen5, 8 canaux PCIe Gen4.0, 1 450 000 IOPS en lecture, 260 000 IOPS en écriture, 8 Go/s en lecture, 3,8 Go/s en écriture, latences inconnues, jusqu’à 12,8 To. Prix inconnu.

2020 : Intel Optane « Alder Stream », 3 D XPoint Gen2, spécifications inconnues, mais a priori « plus de 50 % meilleures que celles du P4800X », accepte de commenter Intel.

La V-NAND, une 3D NAND plus rapide

Intel planche aussi de son côté sur des composants 3D NAND plus classiques, mais il vise plutôt là le marché des PC, en misant plutôt sur la capacité à bas prix que sur le maintien des performances. Après avoir vendu durant toute l’année 2019 un SSD 660P 64 couches QLC à environ 120 € pour 1 To (soit 0,12 €/Go), il doit lancer ces jours-ci un SSD 665P à 96 couches QLC de 2 To pour un prix encore inconnu. À terme, vers fin 2020-début 2021, Intel devrait également proposer un SSD en 144 couches, puis rapidement des SSD avec cellules PLC, contenant 5 bits, pour augmenter encore les capacités au détriment, a priori, de la fiabilité.

Surtout, le nouveau SSD 665P, malgré les optimisations d’Intel, n’atteint, selon les chiffres optimistes de sa plaquette marketing, que 250 000 IOPS et 2 Go/s en lecture. Comparativement, le Samsung 983 DCT, qui a autant de couches et est sorti un an plus tôt, a été mesuré à 540 000 IOPS et 3 Go/s en lecture. L’avantage de Samsung réside dans la V-NAND, qui n’est pas de la 3D NAND ordinaire.

Avec une architecture 3D NAND, plus le nombre de couches est élevé, plus le design électrique est compliqué à implémenter. L’empilement des couches a en effet le défaut de générer des interférences électromagnétiques entre les cellules, ce qui mène à la corruption des données, un phénomène qu’on limite d’ordinaire en ajoutant des matériaux isolants qui ralentissent les lectures et les écritures.

Pour éviter ce problème, Samsung utilise deux techniques dans ses V-NAND. D’une part, il relie verticalement les cellules par un canal creux, percé au moment de la gravure, de sorte à obtenir des colonnes de cellules parfaitement droites et des couches homogènes où les électrons sont moins susceptibles de se balader. Cette technique a par ailleurs le mérite de réduire les erreurs de gravure et d’augmenter la productivité des usines de Samsung.

D’autre part, Samsung incorpore, dans ses couches, des cellules conçues à partir d’un autre matériau pour piéger les électrons baladeurs. Cette technique-ci, appelée CTF (pour Charge Trap Flash), présente aussi un second avantage : elle multiplie par deux la vitesse d’écriture, comparée à des NAND ordinaires.

Précisons que Samsung avait initialement appelé ses V-NAND SLC des « Z-NAND », le terme V-NAND devant désigner uniquement les composants avec cellules TLC. Cette nomenclature a disparu avec les modèles SLC et tous les composants Flash construits sur l’architecture de Samsung devraient à présent être dénommés V-NAND, y compris quand leurs cellules seront des QLC.

Samsung premier fabriquant de disques Flash, Intel cinquième

Selon le dernier palmarès trimestriel DRAMeXchange établi par TrendForce, Samsung est resté le plus important vendeur de disques Flash entre juillet et septembre 2019, avec un CA de 3,99 Md$, en progression de 5,9 % par rapport au trimestre précédent. Il est suivi par Kioxia (2,23 Md$, soit une progression de 14,3 %), Western Digital (1,63 Md$, +8,4 %), Micron (1,53 Md$, +4,7 %) et Intel, avec un CA trimestriel sur l’activité des composants Flash de 1,29 Md$, soit une progression de 37,2 %.

Intel a ravi la cinquième place à SK Hynix (1,15 Md$, +3,5 %) qui l’occupait jusqu’alors. Selon TrendForce, la progression du fondeur américain est due à une politique de prix particulièrement agressive, avec une diminution de ses tarifs de 10 % d’un trimestre à l’autre. En résumé, les disques Flash de Samsung représentent aujourd’hui un tiers des ventes, contre 10 % pour ceux d’Intel.

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