SSD: что это такое в ноутбуке
Компания Dataram презентовала первый SSD (Solid-State Drive) в 1976 году. Он вмещал 2 МиБ информации, имел крохотные габариты, по сравнению с тогдашними HDD: 51×48×40 см и неведанное время доступа – 750 нс – это в 30 000 раз быстрее от лучшего винчестера того времени.
Спустя 2 года StorageTek выпускает SSD объёмом 45 МиБ и стоимостью 400 тысяч долларов. С начала 2000-х стоимость производства накопителей на основе флеш-памяти значительно снизилась, что ознаменовало начало эпохи твердотельных накопителей.
Отличия между SSD и HDD
Разница между накопителями громадна во всех аспектах. У твердотельников нет механических частей, поэтому они надёжнее и быстрее независимо от места расположения данных (на винчестере время доступа увеличивается по мере отдаления нужных секторов от центра магнитной пластины). Но ячейки имеют ограниченное число циклов перезаписи. Во-первых, это снижает срок эксплуатации, во-вторых, требует совершенных механизмов выравнивания изнашиваемости ячеек. Этим занимается микроконтроллер.
В сравнении с HDD, SSD энергоэффективнее, слабее греются, имеет меньшие габариты и не издают шума. Хранение одного гигабайта информации на флеш-памяти обходится дороже, чем на магнитной пластине. При заполнении flash-памяти её производительность снижается.
Характеристики SSD накопителей
SSD устанавливаются на любой ноутбук в качестве замены HDD. При отсутствии дополнительного отсека для устройства винчестер изымается и подключается через USB с использованием специального адаптера. При выборе накопителя обращайте внимание на его технические и эксплуатационные характеристики:
- Access Time – задержка, время доступа, или латентность, показывает время, нужное устройству от момента получения команды до начала обработки (считывания) данных;
- IOPS – количество операций ввода/вывода за единицу времени – характеризует быстродействие на протяжении продолжительных временных интервалов;
- Max Sequential Reads/Writes – пиковая скорость записи и чтения, демонстрирует производительность на длительных временных промежутках;
- Cycles или TBW – ресурс устройства, показывает общий объём данных, который можно записать на накопитель.
Форм-фактор SSD
Хранилища на основе флеш-памяти поставляются в 4-х форм-факторах.
✍ 2,5 дюйма (SATA)
Самые первые, доступные и распространённые диски. Внешне схожи с портативными винчестерами и подключаются к материнской плате через интерфейс SATA.
✍ SSD AIC (Add-in Card)
Оснащены интерфейсом PCI-Express, используемым для подключения видеокарт. Предназначены исключительно для стационарных компьютеров, имеющих соответствующий разъём.
✍ M.2
Современные миниатюрные цифровые хранилища, схожи с модулями оперативной памяти. Предназначены для портативных устройств и поддерживают организацию RAID-массивов. Плотность упаковки информации при габаритах 80 × 22 мм позволяет помещать более 1 ТБ данных.
✍ U.2
U.2 — это форм-фактор для подключения 2,5-дюймовых дисков, отличаются повышенными скоростными характеристиками и долговечностью и стоимостью. Применяются преимущественно в серверной продукции, подключаются через специальный коннектор (переходник).
✍ mSATA
Устаревающий формат, устройства коммутируются посредством SATA и применяются в портативной технике: ноутбуки, нетбуки.
Интерфейс подключения и скорость
Интерфейс – канал связи и средства для взаимодействия между устройствами на программном и аппаратном уровнях. Определяет максимальную пропускную способность. Потребительские девайсы коммутируются через PCI Express и SATA:
- SATA/mSATA и M2 SATA имеют скорость до 6 Гб/с;
- AIC NVMe и M.2 NVMe подключаются к PCIe и обладают пропускной способностью до 31,5 Гбит/с
С повышением скорости накопителей развивались и стандарты обмена данными, и в 2013 году презентовали SATA Express. Вместо повышения пропускной способности задействовали шину PCIe. Накопители с поддержкой SATA Express обзавелись собственным форм-фактором M2. Для рядового пользователя разница в производительности интерфейсов заметной не будет.
Объём накопителей SSD
Объем зависит от сферы применения. Если устройство приобретается исключительно для эксплуатации в качестве системного раздела для хранения файлов операционной системы и приложений, достаточно 64 ГБ. Для ускорения игр, редакторов (фото-, видео) и софта для моделирования нужна большая ёмкость – 120-250 ГБ. При использовании SSD в качестве основного накопителя стоит потратиться на приобретение хранилища от 500 ГБ или 960/1000 ГБ при наличии финансовой возможности.
Как можно заметить, объём SSD отличается от общепринятых значений для флешек и жёстких дисков в меньшую сторону:
- вместо 128 ГБ – часто указывают 120;
- 240 ГБ вместо 256;
- 480 или 500, а не 512 ГБ и т.д.
Причина тому – методика подсчёта или технология Over-provisioning: не учитывается зарезервированное пространство, необходимое для оптимизации производительности, снижения влияния эффекта износа ячеек.
Контроллер для SSD
Микроконтроллер определяет производительность твердотельного диска, потому к его выбору подходите основательно. Наиболее распространены SSD с контроллерами от:
- Intel – имеют невысокую на фоне конкурентов стоимость, ничем не уступают им;
- Sand Force – бюджетные устройства, быстродействие которых зависит от степени заполнения (практически не используются);
- Marvel – дорогие, но производительные и надёжные контроллеры, поддерживают замену микропрограммы;
- Samsung – обладают аппаратной поддержкой шифрования, ценой, выше средней на рынке и высокими эксплуатационными характеристиками;
- Silicon Motion – выпускает недорогие контроллеры для шины SATA;
- Realtek – дешёвые низкопроизводительные микроконтроллеры для нетребовательных пользователей;
- Toshiba – синтез решений от дорогих чипов Marvel и дешёвых Sand Force и Phison.
Контроллеры делятся на пару сегментов: для потребительских устройств и для серверной или корпоративной продукции. Они отвечают за следующие функции:
- Bad Block Mapping – мониторинг за выходящими из строя ячейками памяти, их замена или вывод из эксплуатации, чтобы информация в такие области больше не записывалась;
- Crypto-shredding – стирание информации методом преднамеренного удаления либо замены ключей шифрования;
- Encryption – шифрование;
- ECC – поиск и исправление ошибок для контроля и обеспечения целостности передачи информации в процессе её чтения и записи;
- Read and Write Caching – кэширование файлов, к которым часто осуществляется доступ;
- исправление незначительных ошибок и повреждённых блоков;
- Wear leveling – выравнивание износа ячеек для продления эксплуатации.
Срок эксплуатации
Зависит от типа используемой ячейки. Одноуровневые SLC ячейки – самые долгоживущие – поддерживают до 100000 циклов перезаписи, не боятся перегрева, имеют высокую скорость. MLC и TLC – выдерживают до 5000 записей данных в ячейку – до домашнего или рабочего компьютера такого ресурса достаточно на 5 и более лет. О памяти ниже.
Тип памяти SSD
Определяет скоростные характеристики и долговечность ячеек памяти.
- SLС (single level cells) – одноуровневая ячейка с одной величиной заряда на участке миниатюрного транзистора с плавающим затвором. Быстрая и долговечная, не боится повышенных температур. Устройства с SLC ячейкой недоступны для рядового пользователя из-за стоимости. В них хранится 1 бит данных.
- MLC – хранит 2 бита в ячейке, имеет до 10000 циклов перезаписи и значительные задержки.
- TLC – трёхуровневая ячейка – хранит 3 бита информации, поддерживает 3-5 тысяч перезаписей, ориентирована на потребительский сектор, на порядок быстрее HDD.
- QLC – ячейка с 4 уровнями заряда (4 бита), выдерживающая до 3-5 тысяч циклов перезаписи. Накопители на её основе наиболее распространены из-за доступности, долговечности и быстродействия.
- 3D-NAND либо V-NAND – трёхуровневая ячейка – по сравнению с MLC, имеет повышенную ёмкость, с TLC – надёжность – до 7000 циклов записи.
Получается, QLC – оптимальные ячейки для больших по объёмам SSD, но увы. В них протекают малые токи, они чувствительны к электрическим шумам, а для определения состояния нужно проводить несколько операций считывания для надёжности. SLC-ячейки имеют наибольшие габариты и скорость считывания информации, QLC – медленнее остальных, но обходятся дешевле.
При отключении питающего напряжения заряд в ячейке SSD сохраняется и утекает крайне медленно, в отличие от DRAM – разряжается за несколько нс. Подача высокого напряжения на выходы транзисторов со временем повреждает их на физическом уровне. Для продления срока службы накопителя применяется так называемая корректировка износа ячеек.
Корректировка износа ячеек
Для балансировки износа контроллер должен знать, какие ячейки заняты, какие свободны. И со вторым возникают проблемы. Если при удалении файлов с винчестера занимаемые им секторы обозначаются пустыми, с SSD ситуация сложнее, он работает с байтами, а не на уровне файловой системы. И при удалении или перемещении документов контроллеру необходимо дополнительно об этом сообщать. Это стало толчком к появлению команды TRIM – собирает сведения о стёртых файлах и уведомляет контроллер об освобождении определённой области флеш-памяти.
Анатомия SSD
Внутренности Solid-State Drive представлены набором микросхем и электронных элементов, распаянных на одной плате, как в флешках. Ячейки памяти представлены миллионами транзисторов с плавающим затвором, которые сохраняют биты информации благодаря прилаганию высокого напряжения к их участкам. Для считывания информации к участку прилагается пониженное напряжение.
Когда ячейка не заряжена – имеет состояние «ноль», при подаче низкого напряжения через неё «течёт» электрический ток – является сигналом об отсутствии заряда. Заряд ячейки предотвращает её проводимость, и электричество не «бежит». Такой механизм обеспечивает значительную скорость при чтении информации из NAND-памяти. Запись с удалением не столь быстры, но превышают эти показатели на HDD.
Строение SSD
Внутри корпуса твердотельного носителя нет ничего кроме печатной платы с разъёмамми, микросхемами и парой десятков радиоэлементов. Все эти устройства, это:
- PCB – печатная плата, где распаяны все электронные элементы и разъёмы;
- флеш-память – хранилище файлов;
- 16 или 32-битный контроллер памяти (в него входят: микроконтроллер и процессор) – посредник между чипами с файлами и операционной системой, выполняет инструкции прошивки, S.M.A.R.T. диагностику, выравнивание износа, кэширование;
- DRAM – кэш для стабилизации износа ячеек и временного хранения небольших объёмов данных;
- ECC – блок для коррекции и контроля ошибок;
- интерфейс для коммутации с компьютером или ноутбуком.
В зависимости от производителя и модели цифровые носители сильно отличаются внешне: как дизайном корпуса, так и печатной платы.
Механизм работы SSD
Принцип функционировании при чтении прост: контроллер определяет адрес первого блока с нужными фрагментами файла и тут же обращается к нему (так со всем последующими ячейками). Всё происходит фактически мгновенно ввиду отсутствия механики. Быстродействие зависит от интерфейса, контроллера и скорости памяти.
Механизм записи и удаления сложнее, ведь микросхемы спроектированы под секторное выполнение операций. Записываются данные блоками по 4 Кб, а удаляется – по 512 Кб. Для изменения данных в блоке контроллеру следует:
- считать содержимое блока в буфер – кэш-память;
- внести изменения;
- удалить весь блок из памяти накопителя (микросхемы);
- определить новое место его расположения (с учётом выравнивания износа ячеек);
- записать информацию заново.
Такой алгоритм снижает скорость записи в SSD порой ниже, чем в жёстких дисках HDD.
С HDD файлы физически не удаляются, области с их фрагментами обозначаются свободными и готовы к перезаписи новыми порциями данных. На твердотельный диск ничего не записать, пока содержимое ячейки не очистится. И при стирании проявляется описанная ранее проблема: файлы пишутся блоками по 4 Кб, а удаляются – по 512 Кб.
Для удаления какого-то фрагмента из блока на 512 Кб его нужно весь модифицировать по описанному выше алгоритму: считать в кэш – отредактировать – удалить – отыскать свободный блок – переписать из кэша в него.
Для определения нужных и ненужных блоков (которые операционной системой считаются удалёнными) контроллеру нужно пройтись по всем блокам с полезной информацией и модифицировать их, удалив ненужную. По мере заполнения накопителя быстродействие SSD падает – ему недостаточно свободных ячеек памяти для переноса в них полезной информации. Это отражается и на скорости доступа.
Если до распространения SSD интерфейс SATA обходился без команд для модификации блоков после стирания файлов – для HDD они не нужны – то с эрой флеш-памяти появилась команда TRIM. Он должна поддерживаться драйвером накопителя и операционной системой. Среди ОС с ней совместимы: Windows 7 и Server 2008 R2, FreeBSD 9 и Linux 2.6.33 и более свежие версии. Для реализации TRIM на старых устройствах их необходимо перепрошивать.
При простое диск автоматически очищает и фрагментирует блоки, помеченные удалёнными. Причём контроллер способствует получению максимального числа свободных ячеек. Для хранилищ от Intel разработан фирменный оптимизатор SSD Toolbox, извлекающий S.M.A.R.T.-сведения и проводящий его диагностику. В S.M.A.R.T. для твердотельных дисков есть параметр E9 – показывает оставшееся число операций очистки ячеек. Чем дальше значение от 100 и ближе к единице, тем вероятнее появление битых блоков.
Преимущества SSD над HDD:
- скорость чтения;
- низкие тепловыделение и энергопотребление;
- бесшумность;
- миниатюрные размеры и портативность;
- лучше переживает падения и вибрацию, чем винчестер.
Недостатки:
- стоимость хранения 1 ГБ данных выше, чем в HDD;
- невысокая ёмкость (диски на 500 и более ГБ стоят заметно дороже, чем винчестеры);
- недолговечность;
- чем сильнее заполнен носитель, тем ниже его производительность;
- ресурсоёмкие процессы удаления и перезаписи файлов.
За SSD будущее, но переход на флеш-память происходит медленно, особенно в секторе потребительских устройств из-за дороговизны, не слишком большого ресурса и финансовой подоплёки.
Смотрите также статьи по теме