Ominaisuuksien esittely

24.09.2014 23:31 |

850 Pro on seuraaja Samsungin suositulle 840 Pro -asemalle, joka esiteltiin kaksi vuotta sitten ja sai myös Muropaketilta ylistystä ollen aikanaan yksi parhaimpia kuluttajaluokan SSD-asemia. Suurin ero 840 Pron ja 850 Pron välillä on niiden käyttämissä muistipiiriteknologioissa, sillä 850 Prossa on käytössä uudet 3D-teknologiaan pohjautuvat NAND-piirit, joita Samsung kutsuu yksinkertaisesti V-NANDiksi (Vertical NAND —pystysuuntainen NAND).

Myös ohjainpiiri on vaihtunut 840 EVO:ssa käytössä olevaan MEX-ohjainpiiriin, joka on hieman korkeammalla kellotaajuudella (400 MHz vs 300 MHz) toimiva versio 840 Prossa käytettävästä MDX-ohjainpiiristä.

850 Prosta on saatavilla neljä eri mallia 128 gigatavusta aina yhteen teratavuun asti, joista Muropaketin testiin saapui 256 gigatavun yksilö. Myyntipakkaus sisältää itse SSD-aseman lisäksi ainoastaan asennusohjeet, takuuehdot sekä CD/DVD-levyn, josta löytyy lisäohjeet asennukseen ja Samsungin SSD Magician -ohjelma. Toisin kuin 840 EVOsta, 850 Prosta ei ole saatavilla erillisiä kannettaviin ja pöytäkoneisiin suunnattuja päivityspaketteja, vaan esimerkiksi vanhan kiintolevyn kloonaamista helpottava USB-adapteri on ostettava erikseen.

850 Pro on suunnattu ensisijaisesti tehokäyttäjille ja tämä näkyy myös hinnassa. 850 Pron hinnat vaihtelevat 56 sentistä 88 senttiin per gigatavu, kun taas esimerkiksi 840 EVO on saatavilla Muropaketin Hintavertailun mukaan noin 40-60 sentillä per gigatavu riippuen aseman suuruudesta.

Ominaisuuksiltaan ja suorituskyvyltään 850 Pro on markkinoiden ehdotonta huippua. Tuettuna on sekä DevSleep-virransäästötila että TCG Opal 2.0 -salausstandardi, joka mahdollistaa aseman salauksen käyttäen sen sisäänrakennettua salausominaisuutta. Opal-salauksen etuna on parempi suorituskyky ja turvallisuus kuin perinteisillä ohjelmistopohjaisilla salauksilla ja muun muassa Windows 8 Pro- ja Enterprise-versioista löytyvä eDrive-salaus käyttää kyseistä standardia. Lisäksi Samsung tarjoaa 850 Prolle kymmenen vuoden takuun ja 150 teratavun kirjoituskestävyyden.

850 Pron julkaisun ohella Samsung julkaisi uudistetun version RAPID-välimuistiominaisuudesta, joka kantaa versionumeroa 2.0. Uuden version suurin muutos on tuetun RAM-muistin määrän suureneminen, joka nousee yhdestä gigatavusta maksimissaan neljään gigatavuun. RAPID käyttää silti enintään yhden neljäsosan koko järjestelmän keskusmuistista, joten järjestelmässä täytyy olla asennettuna vähintään 16 gigatavua keskusmuistia, jotta RAPID-ominaisuudesta saa suurimman hyödyn. Myös RAPIDin algoritmeja on paranneltu ja uusien algoritmien tulisi parantaa suorituskykyä entisestään valitsemalla välimuistiin laitettavat IO-komennot tarkemmin. Testasimme RAPID-ominaisuutta 840 EVOn kanssa hieman alle vuosi sitten ja totesimme, ettei RAPID juurikaan vaikuta suorituskykyyn synteettisten testien ulkopuolella, joten päätimme jättää RAPID 2.0:n tarkastelun tästä artikkelista pois.

850 Pron erikoisuus on siinä käytettävät 3D-teknologiaan perustuvat V-NAND-piirit, sillä 850 Pro on ensimmäinen kuluttajakäyttöön suunnattu SSD-asema, jossa uudet 3D-NAND-piirit ovat käytössä. 3D-teknologia ratkaisee NAND-piirejä vaivanneen skaalautuvuusongelman, sillä kuten varmasti monelle lukijalle on tullut tutuksi, NAND-piirien kestävyys on heikentynyt vuosien mittaan, kun valmistajat ovat siirtyneet pienempiin viivanleveyksiin. Myös pienempien viivanleveyksien valmistuskustannuksista on tullut ongelma, sillä valmistusprosessi on pidempi ja monimutkaisempi.

NAND-piirien kestävyysongelman ymmärtäminen vaatii ymmärryksen NAND-piirin toiminnasta, joten on syytä käydä tämä läpi ennen siirtymistä tarkempiin yksityiskohtiin. Yllä oleva kuva on hahmotelma kolmesta NAND-solusta ja niiden eri komponenteista. NAND-solun ohjelmoiminen perustuu varauksen siirtämiseen “kelluntaporttiin” (floating gate), joka tapahtuu asettamalla suuri jännite (noin 20 volttia) “hallintaporttiin” (control gate). Tämä saa aikaan niin voimakkaan sähkökentän, että eristeenä toimiva piioksidi muuttuu hetkellisesti johtimeksi ja elektronit siirtyvät kanavasta (channel) kelluntaporttiin. Ohjelmoinnin jälkeen piioksidi palautuu jälleen eristeeksi, jolloin elektronit jäävät kelluntaporttiin ja luovat solulle varauksen. NAND-solun pyyhkiminen edellyttää vastakkaisen prosessin eli hallintaporttiin asetetaan samansuuruinen negatiivinen jännite, jolloin elektronit kulkeutuvat kelluntaportista takaisin kanavaan.

NAND-solun lukeminen on huomattavasti yksinkertaisempi prosessi. Solussa oleva varaus vastaa aina tiettyä bittitulostetta, joten NAND-solun lukemiseksi riittää varauksen tunnustelu. SLC NAND -piireissä varaustasoja ja bittitulosteita on ainoastaan kaksi (1 tai 0), kun taas vastaavasti MLC-piireissä varaustasoja tarvitaan neljä kappaletta kaikkien mahdollisten bittitulosteiden kattamiseen (11, 10, 01 ja 00).

NAND-piirien kestävyys- ja luotettavuushaasteet koostuvat käytännössä kolmesta ongelmasta. Pienemmille viivanleveyksille siirryttäessä kelluntaporttia ympäröivä polyeriste ohenee, jotta transistoreita voidaan pakata enemmän samalle alueelle. Tällöin yhdeltä piikiekolta saadaan enemmän piirejä ja yhden piirin valmistuskustannukset laskevat. Polyeristeen ohentuessa sen eristävyys heikentyy ja kelluntaportti altistuu voimakkaammin viereisten solujen varauksille. Vastaavasti myös NAND-solut ja täten kelluntaportit siirtyvät lähemmäs toisiaan pienemmille viivanleveyksille siirryttäessä, jolloin viereisten solujen aiheuttama häiriö kasvaa ja tarkan varauksen ohjelmoiminen soluun vaikeutuu, kuten myös solussa olevan varauksen tunnustelu.

Kolmas ongelma on elektronien vähentyminen kelluntaportissa. Koska sekä kelluntaportin että kanavan tilavuus pienenee, on käytettävissä vähemmän elektroneja. Käytännössä tämä tarkoittaa, että virheille on vähemmän varaa, koska jo muutaman elektronin muutos voi muuttaa koko solun varaustason ja täten vääristää bittitulosteen.

Kaikki kolme ongelmaa pahenevat, kun NAND-piirejä kulutetaan eli ohjelmoidaan ja pyyhitään. Ohjelmointi- ja pyyhkimisprosessien vaatimat suuret jännitteet rasittavat solun eristeitä, joka johtaa niiden eristävien ominaisuuksien heikentymiseen. Toisin sanoen kelluntaportin varaus voi muuttua ajan mittaan, kun elektronit karkaavat heikentyneiden eristeiden läpi, joka taas voi johtaa vääristyneeseen bittitulosteeseen.

3D-NAND-teknologia ratkaisee skaalautuvuus- ja kestävyysongelman siirtymällä takaisin suurempaan viivanleveyteen ja piirin bittitiheyttä kasvatetaan pinoamalla soluja päällekkäin. 850 Prossa on käytössä Samsungin toisen sukupolven V-NAND-piirit, jotka valmistetaan 40 nanometrin viivanleveydellä ja NAND-soluja on 32 kerroksessa.

Suurempi viivanleveys ratkaisee edellä mainitut kolme ongelmaa, sillä solujen eristeet ovat paksumpia ja solujen välinen etäisyys sekä käytettävissä olevien elektronien määrä on suurempi. Suurin osa nykyisistä NAND-piireistä valmistetaan 16-19 nanometrin viivanleveydellä, joten siirtyminen 40 nanometriin on suuri harppaus kestävyyden kannalta.

Allekirjoittaneen omien testien perusteella 850 Pron V-NAND-piirien P/E-syklien (program/erase) määrä on 6000, joka on kaksinkertainen määrä verrattuna tavallisiin MLC-NAND-piireihin. Palvelinkäyttöön suunnatussa 845DC Prossa, jossa on käytössä ensimmäisen sukupolven V-NAND-piirit, P/E-syklien määrä on sen sijaan 40 000, joten 3D-NAND-teknologialla saavutetaan jopa yli kymmenkertainen kestävyys tavallisiin kaksiulotteisiin NAND-piireihin verrattuna.

Myös V-NAND-piirien bittitiheys on erittäin kilpailukykyinen uuden vertikaalisen rakenteen ansiosta. Koska soluja on 32 päällekkäin, siirtyminen suurempaan viivanleveyteen ei haittaa, sillä ne kumoavat toistensa vaikutukset. Allekirjoittaneen omien laskujen mukaan V-NAND-piirien bittitiheys on samaa tasoa Toshiban ja SanDiskin 15 nanometrin MLC-NAND-piirien kanssa, mutta V-NAND-piirien valmistuskustannukset ovat suurella todennäköisyydellä korkeammat, sillä valmistusprosessi on monimutkaisempi ja -vaiheisempi. Tässä artikkelissa ei kuitenkaan tarkastella V-NAND-piirien valmistusprosessia sen tarkemmin, koska se ei sinänsä kosketa kuluttajaa.

Samsungin V-NAND-piirien toimintaperiaate ei juuri eroa normaaleista NAND-piireistä. Yksittäinen solu on käytännössä “käännetty sivuttain”, joka mahdollistaa useamman solun pinoamisen. Rakenteellisesti solussa on tapahtunut yksi merkittävä muutos, sillä kelluntaportin tilalla on eristävästä materiaalista valmistettu “varausloukku” (charge trap). Kelluntaportin ongelma on, että se on johtava, jonka vuoksi elektronit voivat liikkua kelluntaportin sisälläja pienikin vuoto kelluntaporttia ympäröivissä eristeissä voi olla kriittinen. Koska varausloukku on eristävä, elektronit jäävät ikään kuin jumiin varausloukun sisään ja vuoto ympäröivissä eristeissä vaikuttaisi korkeintaan vuotokohtaa lähellä oleviin elektroneihin, jolloin muutos solun varaustasossa jäisi hyvin pieneksi.

Asiasta syvemmin kiinnostuneille lukijoille suosittelemme AnandTechin 850 Pro -arvostelun lukemista (englanniksi). Vaikka tässäkin artikkelissa mentiin normaalia tarkastelua syvemmälle, on AnandTechin artikkeli kattavampi yksityiskohtien ja selitysten suhteen. Tarkkasilmäiset lukijat saattavat huomata, että myös kyseinen artikkeli on allekirjoittaneen käsialaa, joten jos jokin yksityiskohta kaipaa suomentamista tai selvennystä, niin vastaan kyllä tämän artikkelin kommentteihin parhaimpani mukaan.

Sisältö

  1. Samsung 850 Pro (256 Gt)
  2. Ominaisuuksien esittely
  3. Testikokoonpano & suorituskykymittaukset: CrystalDiskMark 3
  4. Tiedostojen kopiointi, Lightroom, Battlefield 4 & Windowsin käynnistyminen
  5. Loppuyhteenveto