Что такое твердотельный накопитель

Что за странное слово такое? Твердотельный? Название происходит от английского слова «Solid», что в переводе означает «Твердое состояние». Под твердым состоянием подразумевается электронная схема, полностью построенная из полупроводников и представляющая из себя, по сути, обычную микросхему ( зелененькая такая, с кучей непонятных «дорожек» на ней).

полупроводниковая микросхема

«М-да, но ведь так было всегда и во всех устройствах, которые мы ломали в детстве» — подумали некоторые, а может и многие. Но нет, вернее — да, но нет. То есть, да, в тех устройствах, что вы и я ломали в детстве, действительно, уже были сплошь и рядом одни зеленые микросхемы, но до этого, давным-давно, большинство устройств состояло из вакуумных трубок, различных проводов, переключателей и кучи других всевозможных деталей. Хорошим примером такого устройства является транзисторное радио, экземпляры которых могут помнить меломаны времен СССР и начала 90-х..

Транзисторное радио. Кто пользовался таким? 🙂

Так вот, Solid-state drive — это твердотельный накопитель, устройство для хранения цифровых данных, основанное на полупроводниковой микросхеме памяти. Углубляться в тонкости не буду (да я особо этих тонкостей и не знаю — хе-хе), дабы не засорять ваш мозг лишней, никому ненужной фигней.

Времена винтажных транзисторов давно канули в лету, и в наше время почти все электронные устройства сделаны на основе полупроводников, включая то самое радио.

Но, если говорить о такой нише рынка как «носители данных», то, до недавнего времени, балом правили хорошо нам известные жесткие диски, чей принцип работы основан на взаимодействии магнитных дисков, а не полупроводников, как в SSD.

Традиционный HDD

Сейчас вы можете возразить, мол, такие хранилища данных существуют уже давно в виде flash-накопителей, подключаемых к USB-разъему. И вы, по большому счету, будете правы, ведь SSD и flash используют один и тот же тип энергосберегающих схем памяти, которые сохраняют свою информацию даже при отсутствии питания. Разница заключается в форм-факторе и емкости накопителей, а так же в том, что flash-накопитель предназначен для внешнего использования в компьютерной системе, а SSD для размещения внутри компьютера, вместо традиционного жесткого диска, или рядом с ним.

Еще по теме: «Как выбрать твердотельный накопитель».

Большинство SSD внешне очень похожи на классические HDD, разница лишь в форм-факторе (грубо говоря, в размере посадочного места). Жесткие диски, как правило, имеют форм-фактор 3,5’’ и именно такими посадочными местами оснащены системные блоки последних лет. У SSD размеры более компактные, соответственно, форм-фактор поменьше — 1,8’’ и 2,5’’. Но, это не значит, что такие SSD нельзя установить в старые корпуса, ведь проблема совместимости решается с помощью специальной каретки, либо с помощью подручных средств и фантазии.

HDD и SSD

Некоторые SSD внешне больше похожи на микросхемы карт памяти, чем на HDD, потому что представляют из себя попросту микросхему, имеющую разъем для подключения. К таким твердотельным накопителям относятся модели с форм-фактором M.2 и PCI-Express.

M.2 SSD

Существуют еще гибридные жесткие диски — SSHD, которые совмещают в себе выгодные стороны HDD и твердотельных накопителей. Форм-фактор и объем памяти у них такой же, как и у жестких дисков, но при этом они имеют некоторые приятные способности SSD.

Зачем использовать SSD

Твердотельные накопители имеют ряд преимуществ по сравнению с магнитными жесткими дисками и они обусловлены тем, что в SSD нет движущихся частей, в то время как в HDD есть двигатели для вращения магнитных пластин и приводных головок. Все хранилища на твердотельном накопителе обрабатываются микросхемами flash-памяти, и это дает три очевидных преимущества:

• Меньший расход питания — это ключевой фактор, почему использование SSD в портативных компьютерах стал так востребован, ведь в отличие от жестких дисков, в SSD не требуется питание для двигателей, соответственно, существенно уменьшено энергопотребление;
• Более быстрый доступ к данным — поскольку накопителю не надо раскручивать диск и перемещать головки, данные читаются и записываются с невероятно быстрой скоростью, что добавляет очень много приятных ощущений в использовании ПК или ноутбука;
• Высокая надежность — жесткие диски являются очень хрупкими и чувствительными к различным внешним факторам устройствами. Даже небольшой встряски или падения достаточно для того, чтобы вызвать проблемы в работе HDD. Поскольку в SSD нет движущихся частей, а данные хранятся в микросхеме, вероятность повреждения диска от случайного падения или от перевозки в автомобиле, гораздо меньше.

В совокупности, эти факторы делают то, что происходит сейчас — постепенное вытеснение с рынка магнитных жестких дисков. Но, так как стоимость на SSD еще довольно велика, полная миграция пользователей с HDD на SSD будет проходить не один год, а то и десятки лет. Кстати, об этом.

Почему SSD не используется на всех ПК

Основным ограничивающим фактором использования твердотельных накопителей в портативных и настольных компьютерах является их высокая стоимость. За последнее время SSD, конечно, стали более доступны, поскольку цена на устройства снизилась до разумных значений, но один мегабайт на SSD по-прежнему стоит примерно в три раза дороже, чем тот же мегабайт на HDD. А то и больше, ведь чем выше емкость диска, тем более сильной становится разница в цене.

Хороший SSD 500 Гб за 200$

Емкость также является важным фактором в принятии твердотельных накопителей как единственной безальтернативной технологией для хранения данных. Средний портативный компьютер, оснащенный SSD, будет иметь объем памяти от 128 до 256 Гб. Это примерно эквивалентно тому, что еще несколько лет назад ставили в ноутбуки — сегодня большинство ноутов оснащены HDD емкостью 500 Гб и более. Настольные системы имеют еще больший дисбаланс между SSD и жесткими дисками, поскольку средний ПК оснащен HDD объемом от 1 Тб.

Поэтому, в данный момент полный переход пользователей на SSD не является целесообразным, ввиду большой стоимости и небольшого объема. Но, на самом деле, дело даже скорее в первом, чем во втором, ведь есть SSD и на 4 Гб, но они стоят достаточно серьезных вложений средств. В связи с этим, вторая причина скорее вытекает из первой — очень высокая цена на устройства.

Понравилась статья? Лучшей благодарностью для меня будет Ваш репост этой страницы в социальных сетях:

Зачем нужен SSD диск?

Узким местом любого компьютера является скорость чтения / записи на диск. Каким бы мощным ни был ваш компьютер, вся его мощь будет простаивать до тех пор, пока данные с жесткого диска загружаются в оперативную память.

Не важно, ждете ли вы, пока загрузится операционная система, или просто ожидаете загрузки программы – во всех ваших ожиданиях в большинстве случаев виноват жесткий диск. Именно SSD призван повысить скорость загрузки операционной системы, скорость загрузки программ и как итог, общую скорость отклика системы.

Установка операционной системы и программ на SSD дает огромный прирост скорости. Операционная система со всеми программами в автозагрузке загружается не более 10 секунд! Программы открываются практически мгновенно, а работать за компьютером становится одно удовольствие

SSD сможет подарить новую жизнь даже старенькому ноутбуку, его установка заметно оживляет систему. Но конечно же, максимум отдачи вы получите на мощных компьютерах, способных полностью раскрыть весь потенциал SSD.

Установка SSD вместо HDD на компьютер и первый запуск у всех без исключения вызывает «вау-эффект», такая огромная разница становится в скорости загрузки системы и программ. Вы можете сами в этом убедиться, посмотрев видео в конце статьи.

Сегодня обычный механический HDD может конкурировать с SSD только в цене и объемах памяти, но это лишь вопрос времени, и однажды, я думаю, SSD навсегда отправит HDD в прошлое.

Предлагаю вашему вниманию видеоролик, в котором показана скорость загрузки Adobe Photoshop сначала на обычном HDD, а затем на SSD:

Устройство, архитектура и принцип работы SSD

Визуально твердотельный накопитель представляет из себя пластину, внутри которой расположена плата (микросхема). Именно на ней крепятся чипы памяти и контроллер, главной функцией которого выступает управление этой самой памятью. От качества таких составляющих зависит срок службы и скорость работы диска.

В SSD для записи и воспроизведения используется память NAND. В зависимости от количества ячеек она делится на:

• SLC – одна ячейка сохраняет один бит информации;
• МLC – в ячейке 2 бита;
• TLC – похожа на предыдущую, может хранить 3 и больше бит на одной ячейке.

Последний вариант наиболее дешевый и чаще встречается у бюджетных дисков. При этом форм-фактор (размер) и объем таких накопителей может быть любым. Подробнее сравнение типов памяти представлено в таблице:

Тип памяти NAND	SLC	МLC	TLC
Битов в ячейке	1	2	3 и более
Циклов перезаписи	100 000	3000	1000
Время чтения	25 мкс	50 мкс	75 мкс
Время программирования	200-300 мкс	600-900 мкс	900-1350 мкс
Время стирания	1-2 мс	3 мс	4,5 мс

Получается, что чем больше битов в каждой ячейке диска, тем медленнее его работа и быстрее износ.

Читайте также статью: Особенности работы с SSD накопителями – ответы на 9 важных вопросов, чтобы ССД проработал дольше

Теперь об устройстве контроллера SSD-диска. Этот компонент берет на себя все процессы чтения, записи, шифровки информации, мониторит и корректирует возможные ошибки. Контроллер сжимает инфу, благодаря чему равномерно распределяется скорость и нагрузка при записи или чтении файлов. Некоторые бренды (например, Samsung) устанавливают в дисках контроллеры собственного производства, что снижает стоимость «большой флешки» .

Почитать о накопителях бренда можно в статье: Новинка! Самый емкий SSD накопитель Samsung 850 EVO 2TB скоро в MOYO

Как же работает SSD-накопитель? Контроллер, получая запросы из ОС компа, синхронизируется с интерфейсом SATA. После этого он проводит анализ всех ячеек памяти, разделяя их на пустые и заполненные.

К сведению: Особенность NAND-памяти состоит в том, что работать отдельно с каждой ячейкой не получается, именно поэтому они объединены в группы (страницы) объемом каждая по 4 Кб.

Контроллер, «просмотрев» ячейки, вычисляет адрес нужного блока и получает к нему доступ. Теперь происходит передача адреса компьютеру и считывание (или запись) определенной информации.

Возможно, вас заинтересует: Как проверить состояние SSD диска в Windows и Mac – 10 программ для мониторинга

Преимущества SSD

Юзеры, отдавшие предпочтение твердотельным накопителям, знают, что на этом диске гораздо быстрее запускаются как отдельные файлы, так и операционная система, сложные игры, программы. Для примера, накопитель, подключенный по интерфейсу SATA III, может считывать информацию на высоких темпах – до 500 Мб/с. Но скорость работы – это далеко не все плюсы SSD.

Среди достоинств выделяют еще 5 не менее существенных:

1. Легкий вес. Диски не добавляют особого веса ноутбукам, ведь масса их колеблется в пределах 100 гр.
2. Устойчивость к механическим повреждениям. Накопителю не страшны падения, удары или сильная вибрация. Он не только сам останется невредимым, но также сохранит все записанные данные.
3. Тихая работа. SSD работает бесшумно. Благодаря отсутствию перегрева диску не нужны шумные охлаждающие компоненты.
4. Легкость эксплуатации. Большинство дисков оснащены брендовой утилитой, что контролирует состояние памяти, обновляет прошивку и др. Это значительно упрощает использование устройства.
5. Возможность шифрования данных. Накопитель позволяет закодировать важную информацию, сохранив ее от посторонних лиц.

Стоит заметить также, что область применения SSD может быть практически любой: их используют в ноутбуках, персональных компьютерах, другой портативной технике. При этом диски потребляют меньше электроэнергии, продлевая ресурс батареи устройства.

Как работает SSD-диск?

Мы очень часто обсуждаем разницу между разными типами NAND- структур — вертикальных NAND и плоскостных, многоуровневых ячеек (MLC) и трехуровневых ячеек (TLC). Но мы еще ни разу не сели и не поговорили о более простом и фундаментально уместном вопросе: как, в первую очередь, работает SSD?

Чтобы понять, чем отличаются SSD от вращающихся дисков, нам нужно немного поговорить о жестких дисках. Жесткий диск хранит данные на вращающихся магнитных дисках, называющихся пластинами. Там есть манипулятор на электроприводе с прикрепленными головками чтения/записи. Этот манипулятор направляет головки над нужным участком диска для чтения или записи информации.

Из-за того, что головка должна зафиксироваться над определенной областью диска для чтения или записи информации (а диск постоянно вращается), есть ненулевое время ожидания, прежде чем данные станут доступны. Диску иногда приходится читать из разных участков диска, чтобы запустить какую-то программу или открыть файл, что означает, что пластинам надо прокрутиться несколько раз для чтения с определенного участка, прежде чем команда сможет выполниться. Если диск находится в режиме сна или энергосберегающем, разгон до максимальной скорости и набор мощности для чтения может занять несколько секунд.

С самого начала было понятно, что жесткие диски не смогут предоставить необходимую скорость для мгновенной скорости работы компьютера. Задержка HDD измеряется в миллисекундах, в то время, как задержка работы процессора измеряется в наносекундах. Одна миллисекунда это 1,000,000 наносекунд, а у жесткого диска уходит около 10-15 миллисекунд на то, чтобы найти данные и начать их считывать. Индустрия жестких дисков представила более маленькие пластины, дисковое пространство, более высокую скорость вращения, чтобы хоть как-то ускорить работу диска, но есть предел скорости работы таких дисков. Семейство VelociRaptor от Western Digital вращается со скоростью 10,000 оборотов в секунду, а это самый быстрый диск за всю историю потребительского рынка (некоторые корпоративные могут разгоняться и до 15,000). Проблема в том, что несмотря на скорость вращения, диск все еще значительно медленней, чем процессор.

Чем отличается SSD

«Если бы я спросил, чего хотят люди, они бы сказали, что более быстрых лошадей». Генри Форд.

Твердотельные накопители названы так потому, что не полагаются на подвижные части вращающихся дисков. Вместо этого, данные сохраняются в пул NAND памяти. Память NAND сама по себе состоит из так называемых транзисторов с плавающим гейтом. В отличие от транзисторных конструкций, которые используются в DRAM, нуждающемуся в обновлении несколько раз в секунду, память NAND разработана для удержания прежнего заряда даже если питания нет. Это делает NAND памятью, независимой от энергии.

Диаграмма выше показывает дизайн простой флеш-ячейки. Электроны, хранящиеся на плавающем гейте, который впоследствии считывает заряженный транзистор как «1», а не заряженный как «0». И да, в NAND памяти 0 означает наличие информации, в отличие от классической двоичной системы. NAND память образует сетку. Весь макет сетки называется блоком, а отдельные строки, которые составляют сетку, называются страницами. Обычно страницы бывают таких размеров: 2К, 4К, 8К, и 16К, а на каждом блоке по 128 или 256 страниц. Размер блока колеблется от 256КБ до 2Мб.

Одно из преимуществ этой системы должно сразу бросаться в глаза. Из-за того, что в SSD нет подвижных частей, они могут работать на скоростях, недоступных для обычного HDD. На таблице показана задержка доступа на обычном носителе в миллисекундах.

NAND даже рядом не стоит с основной памятью, но она на несколько порядков быстрей, чем обычный жесткий диск. В то время, как задержки NAND памяти при записи значительно больше задержек при чтении, они все еще опережают обычный диск.

В таблице выше можно заметить две вещи. Во-первых, обратите внимание, как добавив больше бит в ячейку, NAND оказывает существенное влияние на производительность памяти. Записывает, впрочем, хуже, чем читает — типичная трехуровневая ячейка (TLC) в 4 раза хуже в сравнении с одноуровневой ячейкой (SLC) NAND при чтении, и в 6 раз хуже при записи. Задержка при вытирании также сильно снижена. Воздействие не пропорционально, TLC NAND почти в два раза медленней, чем MLC NAND, несмотря на удержание всего на 50% больше данных (три бита на ячейку вместо двух).

Напряжение TLC NAND

Причина такой низкой скорости TLC NAND в сравнении с MLC или SLC заключается в том, как данные перемещаются с/на ячейку NAND. C SLC NAND, контроллеру нужно только знать, чему равен бит — 0 или 1. С MLC NAND, ячейка может иметь четыре значения — 00, 01, 10, или 11. С TLC NAND, ячейка может иметь уже восемь значений. Чтение правильного значения с ячейки требует от контроллера памяти использования очень точного напряжения, чтобы удостовериться в заряженности ячейки.

Чтение, запись, cтирание

Одно из функциональных ограничений SSD заключается в том, что чтение и запись с/на пустой диск происходит очень быстро, а вот перезапись информации в разы медленней. Это из-за того, что когда SSD читает информацию на уровне страницы (в значении отдельных строк в памяти типа NAND) и могут записывать тоже на уровне страницы, предполагая, что окружающие ячейки пусты, они могут удалять данные только на уровне блоков. Это потому, что акт стирания NAND памяти требует большого напряжения. Хотя теоретически вы можете стереть NAND память на уровне страниц, объем требуемого напряжения устанавливается запросом отдельных ячеек вокруг ячейки, которая переписывается. Стирание данных на уровне блока помогает смягчить эту проблему.

Единственный способ для SSD обновить существующие страницы — просто скопировать содержимое всего блока в память, стереть блок, а затем записать содержимое блока назад + обновленные страницы. Если диск полон, и нет доступных пустых страниц, SSD сначала должен просканировать блоки, которые помечены для удаления, но еще не были удалены, вытереть их, и записать на их место новые данные. Вот почему SSD со временем становятся медленней — по сути, пустой диск полон блоков, которые могут быть мгновенно переписаны, а почти полный диск более вероятно будет вынужден пройти всю последовательность программы «вытри-запиши».

Если вы пользовались SSD, вы, вероятно слышали о чем-то под названием «накопление мусора». Мусор — это фоновой процесс, который позволяет диску смягчать влияние на производительность цикла «вытри-запиши» путем выполнения определенной задачи в фоновом режиме. На изображении показывается процесс накомления мусора.

Обратите внимание, что на этом примере привод пользуется тем, что он может писать очень быстро, опустошая страницы и записывая новые значения для первых четырех блоков (A-D). Он также записал два новых блока — Е и Н. Блоки A-D теперь отмечены как устаревшие, а это означает, что они хранят информацию, которая значится в памяти диска как «устаревшая». Во время неактивного периода, SSD будет двигать новые страницы в новый блок, вытирая старый блок, и помечая его как пустое место. Это означает, что в следующий раз, когда SSD понадобится произвести запись, он может записать прямо на уже пустой блок Х, вместо того, чтобы произвести цикл «вытри-запиши».

Следующая концепция, которую следует упомянуть, это TRIM. Когда вы удаляете файл с Windows на простом диске, файл удаляется не мгновенно. Вместо этого, операционная система сообщает диску, что он может перезаписать физическое место на диске, где был файл в следующий раз, когда ему понадобится место. Вот почему можно восстановить файлы (и именно потому удаление файлов не освобождает место на диске, пока вы не очистите корзину). С традиционным HDD, ОС не нужно следить за тем, куда записывается информация, или какое относительное состояние блоков и страниц. С SSD, это важно.

Команда TRIM позволяет операционной системе говорить SSD, что он может пропустить перезапись некоторых данных в следующий раз, когда будет производить очистку блока. Это уменьшает общее количество данных, которые диск записывает и повышает долговечность SSD. Чтение и запись повреждают NAND память, но запись наносит гораздо больше вреда, чем чтение. К счастью, долговечность на блочном уровне не была проблемой для современных NAND носителей. Больше информации о долговечности SSD любезно предоставлено вот здесь.

Последние две концепции, о которых стоит упомянуть — выравнивание износа и усиление записи. Поскольку SSD записывают данные на страницы, но удаляют блоками, количество данных, записанных на носитель, всегда больше, чем фактическое обновление. Если вы вносите изменение в 4Кб файл, например, весь блок, который занимает этот файл, будет вытерт и переписан с обновлением. В зависимости от количества страниц на блок и размер каждой из них, вы можете вытереть целых 4Мб данных, чтобы просто обновить несчастные 4Кб. Сборка мусора понижает влияние на увеличение объема записи, как это делает и команда TRIM. Сохраняя значительную часть диска свободной, и/или заводское избыточное выделение ресурсов также может снизить влияние на увеличение объема записи.

Выравнивание износа относится к практике обеспечения того, чтобы определенные блоки памяти NAND не записывались/стирались чаще, чем другие. Во время выравнивания износа, в равной степени увеличивается продолжительность жизни и надежность записи на памяти NAND, что, фактически, может увеличить прирост объема записи. В другом случае, при распределении операции записи равномерно по всему диску, иногда необходимо программировать и вытирать блоки даже если их содержимое никогда не обновлялось. Хороший алгоритм выравнивания износа направлен на поиск этого баланса.

Контроллер SSD

Должно быть очевидно, что SSD требуют более совершенных механизмов управления, чем жесткие диски. Это не просто предрассудки, на самом деле, HDD заслуживают большего уважения, чем они сейчас имеют. Механические проблемы, которые связаны с балансировкой множественного чтения-записи головками всего на нанометр от пластины, вращающейся со скоростью 5,000-10,000 оборотов в секунду — это вам не шубу сами знаете куда заправить. Тот факт, что HDD выполняют сложную задачу по внедрению новых методов записи на магнитные носители и при этом продают гигабайт памяти всего за 3-5 центов — просто невероятно.

Типичный контроллер SDD

SDD контроллеры, как бы там ни было, нами представляют свой класс. Они часто снабжены пулом DDR3 памяти, чтобы помочь NAND разбираться самой с собой. Много дисков также включают одноуровневые ячейки кэша, которые действуют как буферы, повышая производительность диска путем выделения быстрой NAND-памяти для чтения/записи циклов. Из-за того, что NAND память в SSD очень часто связана с контроллером посредством серии параллельных каналов памяти, вы можете подумать, что контроллер диска выполняет функции балансира в высокопроизводительном массиве памяти. SSD не развертывают RAID внутренне, но технология выравнивания износа, накопление мусора и управление кэшем SLC имеют аналоги в большом железном мире.

Некоторые диски также используют алгоритмы сжатия данных для уменьшения общего числа операций записи и улучшения продолжительности жизни привода. Контроллер SSD обрабатывает коррекци ошибок и алгоритмы управления для однобитных ошибок, по прошествии определенного времени, становятся все более сложными.

К сожалению, мы не можем вдаваться в подробности устройства контроллеров SSD, так как разные компании по-своему скрывают свои секреты. Большая часть производительности NAND памяти определяется базовым контроллером, и компании не готовы слишком уж срывать завесу таинственности со своей техники, чтобы не вручить конкуренту преимущество прямо в руки.

Дорога впереди

Память NAND предлагает огромный прирост производительности по сравнению с жесткими дисками, но не без собственных недостатков и проблем. Емкость дисков и цена за гигабайт, как ожидается, будут повышаться и падать соответственно, но вероятность того, что SSD догонит HDD по этим параметрам, крайне мала. Усадка узлов это серьезная проблема для памяти NAND, в то время, как большинство аппаратного обеспечения улучшается с уменьшением узла, NAND становится все более хрупкой. Время сохранения данных и производительность записи неразрывно ниже для 20нм NAND, в сравнении с 40нм NAND, даже если плотность и суммарная мощность значительно улучшена.

К настоящему времени, производители SSD добились лучшей производительности, приняв более быстрые стандарты информации, высокую пропускную способность, и больше каналов на каждый контроллер, плюс, использование SLC кэша, о котором говорилось ранее. Тем не менее, в долгосрочной перспективе, предполагается, что NAND будет заменена на что-то совершенно другое.

А на что это «другое» будет похоже пока что остается темой для обсуждения. И магнитные RAM и память с изменением фазы обе зарекомендовали себя как возможные кандидаты, хотя обе технологии находятся на ранней стадии разработки, и должны преодолеть множество трудностей, чтобы конкурировать в качестве замены NAND-памяти. Заметит ли потребитель разницу — вопрос открытый. Если вы обновились с NAND на SSD, а затем прикупили более быстрый SSD, вы знаете, что разрыв между HDD и SSD гораздо больше, чем между SSD и SSD, даже при переходе со сравнительно более скромного носителя. Улучшение времени доступа с миллисекунд до микросекунд имеет большое значение, но прыжок с миллисекунд на наносекунды едва ли можно засечь человеческим разумом.

Сейчас NAND-память является царем горы, и будет оставаться таковой еще лет 5, как минимум.