Как записываются данные на ssd

SSD: что это и для чего нужен

SSD, он же Solid State Drive – современный твердотельный накопитель, сменивший на посту хранения данных старый добрый HDD. В жестком диске (HDD) информация хранится на нескольких дисках с намагниченной поверхностью, по которой скользит считывающая головка. В SSD вместо них используются микросхемы.

Впервые предшественник твердотельного накопителя появился в 1978 году и широкой известности не получил. Далее конструкция и тип памяти накопителя нового формата претерпели значительные изменения, пока не пришли к своему практически современному виду – небольшой плате с контактами для подключения и рабочими модулями. Появившийся в 1989 году Flashdisk компании Toshiba стал первым коммерческим флэш-накопителем с NAND-памятью и стоил тогда 5000 долларов (11 000 в современном эквиваленте).

Типы памяти и ресурс SSD дисков

В отличие от своих «прародителей», работавших на памяти NOR и DRAM, современные SSD построены на памяти NAND – как и тот самый Flashdisk. Под словосочетанием «типы памяти» могут подразумеваться технологии памяти или типы ячеек, в которые записываются данные в виде бит. На момент написания этой статьи они представлены в таком виде:

• SLC (Single Level Cell), где в каждой ячейке хранится по одному биту;
• MLC (Multi Level Cells) – несмотря на нелогичное название, здесь всего два бита;
• TLC (Triple Level Cells) с тремя битами на ячейку;
• QLC (Quadruple Level Cells) – четыре бита на ячейку.

3D NAND – отдельная технология памяти, в которой ячейки как бы накладываются друг на друга, позволяя вместить больше ячеек и больше данных при тех же размерах SSD.

В чем же разница между ними?

Память типа SLC требует больше ячеек для хранения информации и стоит дороже, если сравнивать ее с MLC и другими типами, так как у нее больше ресурс перезаписи. Для сравнения:

• SLC — до 100 000 циклов перезаписи;
• MLC — 3000–35 000 циклов перезаписи;
• TLC — 300–3000 циклов перезаписи;
• QLC — 150–1000 циклов перезаписи.

Но почему же производители продолжают «уплотнять» битами ячейки, если это ведет к снижению ресурса диска? Постоянная работа над оптимизацией процессов и технологии изготовления массива памяти (тех самых чипов) позволила увеличить ресурс циклов перезаписи во много раз. Чтобы узнать, сколько в теории способен проработать твердотельный накопитель, достаточно обратить внимание на показатели TBW (Total bytes to be written) и MTBF (Mean time between failures).

TBW показывает, какое количество данных можно перезаписать до того, как SSD станет непригодным для записи – все верно, после отказа с них можно считывать информацию, но не записывать. Так, накопитель с TBW 600 TB способен гарантированно перезаписать 600 терабайт данных – весьма впечатляющее число. MTBF – менее информативный показатель, так как выражается в часах работы до отказа.

Что находится внутри SSD?

SSD типа 2,5″ выглядит как обычный жесткий диск такого же формата. Но стоит снять крышку корпуса – разница заметна сразу же. Внутри можно увидеть печатную плату с чипами – массивами памяти и контроллером вместо металлических пластин и подвижной считывающей головки.

SSD формата M.2 вообще не имеют корпуса. Есть корпус или нет – компоненты твердотельного накопителя остаются теми же: контроллер является по сути «мозгом» диска, а все данные хранятся на чипах памяти. Также на плате можно найти преобразователь напряжения, микросхему хранения программного обеспечения и буфер памяти, правда, последний встречается не во всех моделях.

Принцип работы SSD

Память твердотельного диска работает на транзисторах, упорядоченных определенным образом. Каждая ячейка имеет от одного до состояний заряда в зависимости от типа памяти – SLC, MLC, TLC или QLC. Заряд означает состояние ячейки: 1 – разряжена, 0 – заряжена.

Контроллер обрабатывает данные и запускает по ячейкам ток, проходящий через всю цепочку транзисторов. В результате ячейки с данными получают состояние 0. В ячейке есть два транзистора или затвора – управляющий и плавающий. Ток проходит через плавающий затвор, а электроны поступают в управляющий канал, создавая положительный заряд и записывают информацию.

Способы подключения SSD диска

SSD формата 2,5″ подключается к разъему SATA и его модификациям (SATA II и SATA III). Компьютер или ноутбук, выпущенный после 2012 года, вероятнее всего, будет снабжен разъемом типа SATA III с пропускной способностью 600 Мбайт/с. Если же установить накопитель SATA III в более старый разъем, скорость передачи данных будет ниже. Такие диски часто используются для апгрейда старых компьютеров и ноутбуков.

SSD формата M.2 в виде узкой длинной карты помещается не в специальный отсек, а крепится к материнской плате через разъем M.2. Однако здесь есть свои особенности: разъем накопителей M.2 может также быть типа SATA или NVMe/PCIe. Внешне это выражается в разном типе контактов. Они имеют одну или две прорези – так называемый ключ. M.2 SATA обладает пропускной способностью в 560-600 Мбайт/с, а PCI-Express показывает скорость до 3500 Мбайт/с в версии 3.0 и до 4000 Мбайт/с в версии 4.0.

Еще один любопытный факт – формат SSD M.2 имеет одинаковую ширину, но отличается по длине и представлен в четырех вариантах: 2230, 2242, 2260 и 2280, где 22 – это ширина, а остальные цифры – длина планки. Размер 2280 стал самым популярным среди накопителей такого формата.

Типы контроллеров

Контроллер – процессор твердотельного накопителя, отвечающий за обработку данных, их распределение, стирание, поиск «мусорных» данных, а также контроль над уровнем износа ячеек и его уравновешивание. SSD может быть от любого производителя, но чип контроллера чаще всего встречается от нескольких брендов:

• отличаются поддержкой шифра AES, надежны и удобны. Иногда при переполненном кэше падает скорость передачи данных;
• хороший баланс между высокой производительностью и доступной ценой;
• обеспечивают высокую скорость работы, но увеличивают стоимость накопителя;
• недорогие; скорость передачи данных падает, если на диске осталось мало свободного места.

Скорость чтения и записи

Как было сказано выше, скорость передачи данных зависит от интерфейса твердотельного накопителя: диск с SATA III поддерживает до 600 Мбайт/сек, а PCI-Express 3.0 — до 3500 Мбайт/с и до 4000 Мбайт/с в версии 4.0. Но и это не предел – при подключении SSD к PCIe 4.0 по четырем линиям скорость может достигать 7,9 Гбайт/с.

Эти цифры показаны при работе в идеальных условиях, на практике же пропускная способность зависит от контроллера, срока эксплуатации и объема заполнения данными диска, наличия кэша и других параметров.

Максимальная производительность может потребоваться, если только SSD нужен для обработки тяжелых файлов (создание 3D, монтаж видео и так далее) или сборки топового геймерского компьютера. Для комфортной повседневной работы и отдыха будет достаточно обычного SSD среднего уровня, а для «возрождения» стареющего ПК или ноутбука подойдет и более дешевый накопитель.

Кэш SSD

Зачем SSD нужен кэш? В кэш помещаются обрабатываемые файлы перед записью на сам накопитель, а также часто используемые данные, за счет чего уменьшается время доступа к ним.

Накопители могут обходиться без кэша (он же буфер), особенно с SLC-памятью, но на самом деле кэш значительно ускоряет работу устройства. Особенно это заметно, когда накопитель одновременно выполняет несколько процессов чтения и записи, запущенных разными программами.

В некоторых накопителях вместо DRAM-кэша встречается SLC-кэш – небольшое количество SLC-ячеек, которые поддерживают высокую скорость передачи данных. SSD без кэша использует вместо него оперативную память ноутбука или компьютера.

Преимущества и недостатки SSD дисков

SSD выигрывают у жестких дисков по следующим параметрам:

• высокая производительность;
• бесшумная работа и устойчивость к ударам и тряске благодаря конструкции без движущихся механизмов;
• больше количество произвольных операций ввода-вывода (IOPS) по сравнению с HDD – быстрее обработка данных;
• низкая чувствительность к воздействию электромагнитных полей;
• низкое энергопотребление;
• меньший нагрев, за исключением мощных накопителей NVMe – они могут сильно греться и даже снабжаются радиатором для отвода тепла;
• меньшие габариты и вес.

• ограниченное количество циклов перезаписи – от 150 до 100 000;
• стоимость по-прежнему выше, чем у HDD;
• невозможность восстановления данных после применения команды TRIM, удаляющей информацию из ячеек;
• производительность может снижаться при обработке файлов большого объема, особенно это заметно в бюджетных моделях и в моделях небольшой емкости;
• чувствительность к скачкам напряжения – сгорает и контроллер, и память. Правда, это можно предотвратить использованием стабилизатора напряжения, да и с ноутбуками такая ситуация случается очень редко.

В любом случае, SSD будет полезен тем, кто хочет добиться высокой производительности для решения ресурсоемких задач: обработки графики, видео- и аудиофайлов. Любители игр также оценят прирост быстродействия – для них SDD уже относится к категории must-have.

Также это недорогое и простое решение для апгрейда старого компьютера или ноутбука: SSD даже небольшой емкости, на котором будет установлена операционная система, значительно повысит производительность, а старый HDD можно использовать в качестве хранилища файлов.

На SSD большой емкости можно полностью клонировать содержимое HDD без необходимости переустановки программ и операционной системы и наслаждаться высокой производительностью любимого ноутбука или компьютера.

Твердотельные накопители. Внутреннее устройство и принципы их построения

Наши клиенты часто интересуются внутренним устройством твердотельных накопителей. Чем определяется надежность накопителей? Почему нельзя хранить важные данные на флешках, и бывают ли надежные флешки? Зачем в контроллеры SSD-накопителей ставят многоядерные процессоры? Почему флешки больших объемов пишут быстро, а малых объемов медленно? Многие вопросы требуют длительного погружения в тему, а некоторые отпадают сами собой после небольшого ликбеза по внутреннему устройству твердотельных накопителей, о том и пойдет речь.

USB-флеш-накопитель, карта памяти microSD/SD, SSD-накопитель представляют собой, на первый взгляд, разные устройства, хотя на самом деле являются «близкими родственниками». Все три типа устройств относятся к твердотельным накопителям на основе NAND флеш-памяти. Забавный факт, именуемые в быту «SSD-диски» не являются дисками в прямом смысле. Название «диск» исторически унаследовано от жестких магнитных дисков (Hard Disk Drive — HDD).

Несмотря на разницу в применении, архитектура всех твердотельных накопителей в общем виде выглядит одинаково.

В состав твердотельных накопителей входят:

• Контроллер – основной элемент твердотельного накопителя, выполняющий функции чтения, записи, контроля целостности данных и исправления битовых ошибок, возникающих в структуре NAND флеш-памяти. С одной стороны, контроллер подключается к хосту через внешний интерфейс SATA / USB / SD / PCIe, с другой – к микросхемам NAND флеш-памяти через интерфейс подключения ONFI / Toggle
• NAND флеш-память – массив микросхем, формирующих объем памяти накопителя

Для понимания задач, выполняемых контроллером, необходимо иметь базовые представления об организации NAND флеш-памяти. Микросхемы NAND флеш-памяти достаточно специфичны в использовании, начиная от интерфейса подключения и заканчивая достоверностью хранения информации.

NAND флеш-память

Микросхема NAND флеш-памяти – хранилище для информации пользователя (фотографии, фильмы, документы, системные файлы операционной системы и т.п.).

Остановимся на вопросах интерфейса доступа к данным и актуальных для твердотельных накопителей проблемах сохранности информации в NAND флеш-памяти.

Микросхему NAND флеш-памяти можно сравнить с архивом бумажных документов. Наподобие того, как бумаги хранятся в архиве, также электронные документы хранятся в памяти микросхем.

Важнейшими функциями любой системы хранения данных и архива являются:

• Хранение данных — архив должен иметь условия, обеспечивающие сохранность бумаг
• Доступ к информации — библиотекарь должен иметь возможность поработать с нужным документом, иначе архив бесполезен

Однако система хранения данных во флеш-памяти имеет следующие особенности:

1. Заряд с затвора способен «утекать» со временем, что рано или поздно приведет к изменению данных. Например, как чернила на архивных бумагах со временем выцветают или растекаются, превращаясь в неразборчивые пятна. Чем дольше хранятся данные, тем меньше вероятность их потом прочитать.
2. После записи одними и теми же цепями одинакового логического уровня заряда в разные ячейки из-за технологического разброса параметров транзисторов появится вероятность прочитать оттуда разные по величине значения заряда. (Бумага может иметь разные свойства впитывания и растекания чернил. Мелкий текст, написанный фломастером, не на каждой бумаге удастся прочитать.)
3. Цепи записи и чтения заряда также не идеальны и имеют технологический разброс уровней напряжения программирования и порогов чтения логических уровней. (Похоже на то, как на бумажных носителях разные библиотекари по-разному могут разобрать текст, записанный разными авторами, потому что почерк у всех разный.)

Целью технологии разработки микросхем памяти является создание флеш-памяти с максимальным соотношением «качество/цена». Для хранения данных в накопителях
NAND флеш-память является весьма достойным решением по этому соотношению, о чем говорит рост рынка накопителей. Но соотношение «качество/цена» не то же самое, что «качество». От площади кристалла микросхемы прямым образом зависит стоимость микросхемы. Поэтому производители флеш-памяти постоянно стремятся увеличить плотность хранения данных в микросхемах памяти. Увеличение плотности ячеек памяти достигается за счет уменьшения размера самих ячеек, так и за счет объединения цепей записи и чтения зарядов ячеек. Причем, второе, в свою очередь, создаёт некоторые сложности в доступе к хранимым данным.

Понятия интерфейса доступа и правила доступа к NAND флеш-памяти:

• Блок. Весь объем микросхемы разбит на блоки. Объем блока составляет порядка единиц мегабайт. (Например, в архиве, это книга или блокнот в переплете с прошитыми листами)
• Стирание блока. Блок может быть стёрт, при этом каждый бит информации в нем будет установлен в «1». Нельзя стереть только часть блока. (Например, книгу можно выкинуть, но нельзя вырвать из книги лист, не нарушив целостность книги)
• Страница. Блок разделен на страницы размером порядка десятков килобайт. (Например, книги и блокноты тоже имеют страницы)
• Программирование страницы. В NAND флеш-память могут быть записаны (запрограммированы) одновременно данные всей страницы, биты устанавливаются при программировании в значения «0» или «1». (Например, чистые страницы книги или блокнота можно заполнить информацией только единожды)
• Порядок программирования страниц. Страницы в пределах блока должны программироваться строго в порядке возрастания их номеров. (Например, последовательная запись информации в книгу или блокнот)
• Порядок перезаписи. Каждая страница может быть запрограммирована только один раз. Для повторного программирования страницы необходимо стереть полностью блок. (Например, если в уже готовом издании книги необходимо заменить страницу, то придется перепечатать всю книгу и заново сделать переплет)

Контроллер

Контроллер обеспечивает подключение к хосту, и, собственно, представляется накопителем. В общем виде архитектура любого контроллера любого накопителя выглядит типично: имеются аппаратные блоки интерфейсов для обмена данными с хостом (EXT_IF) и NAND-памятью (FLASH_IF). Между блоками интерфейсов в обязательном порядке присутствует буферная оперативная память (MEM_BUF), предназначенная для оперативного кэширования данных и сглаживания потока записи/чтения данных. В контроллерах USB-накопителей буферная память составляет десятки килобайт и размещается непосредственно в самом контроллере. В высокопроизводительных системах, таких как SSD-накопители, используются внешние микросхемы памяти. Данные между интерфейсными блоками и буферной памятью передаются без непосредственного участия процессора по каналам прямого доступа к памяти (DMA, direct memory access). Участие процессора в передаче данных заключается в настройке каналов DMA и синхронизации работы блоков.

Любой из подключаемых накопителей является «блочным устройством». Блочное устройство – это устройство, в котором данные хранятся в виде последовательной цепочки логических блоков, обращение к которым возможно по адресу Logical Block Address (LBA). Большинство устройств поддерживает размер блока в 512 байт, который называется «сектор». Сектор является минимальной дискретной информацией, которая может быть перезаписана на блочном устройстве. То есть для замены одного байта хост должен передать целиком сектор на устройство хранения.

Для программистов, работающих с накопителями на физическом уровне (запись/чтение по физическим адресам), вполне очевидно, что запись и чтение одного сектора не должны затрагивать ни коим образом данные других секторов. Также это очевидно для пользователя блочного устройства, но NAND флеш-память, как было сказано ранее, не предоставляет такой возможности. Для того, чтобы заменить один сектор в массиве памяти NAND, необходимо перезаписать весь блок NAND флеш-памяти, размер которого составляет мегабайты. Такой метод решения задачи крайне неэффективен, так как приводит к недопустимому снижению скорости записи в NAND флеш-память относительно ее потенциальных возможностей. К тому же так как операционная система часто пишет в одни и те же адреса устройства (например, записи FAT), то блоки NAND флеш-памяти быстро придут в негодность из-за ограниченного ресурса на стирание. Чтобы увеличить скорость записи/чтения данных и продлить срок службы NAND флеш-памяти, применяются более хитрые методы адресации, переводящие логические адреса (LBA) накопителя в физические адреса NAND флеш-памяти. Алгоритм трансляции адресов NAND флеш-памяти в зарубежной литературе называется Flash Translation Layer (FTL). Если посмотреть описание контроллеров SSD (например, компании Marvell), то можно увидеть, что в состав контроллера входит до 4 процессорных ядер. Такая высокопроизводительная система в SSD необходима в первую очередь для расчета адресов трансляции.

FTL, логическая и физическая адресация

Не существует единого универсального алгоритма FTL, удовлетворяющего все запросы пользователя, в которые входят:

• скорость записи/чтения данных по последовательным адресам
• скорость записи/чтения данных по случайным адресам
• срок службы накопителя
• надежность хранения данных
• объем и тип применяемой памяти

Суть FTL – преобразование логических адресов устройства в физичеcкие адреса NAND флеш-памяти.

Каждому логическому LBA ставится область памяти в NAND. Это называется Logical Unit Number Table (LUN table). Для перезаписи логического блока стираются данные свободного физического блока, после чего происходит замена в LUN table, что создает для пользователя видимость перезаписи. От того, какого размера выбираются логические блоки, зависит размер LUN table (не во всех устройствах целесообразно иметь большие объемы памяти). Существуют два принципиально разных подхода в реализации FTL: блочная адресация и страничная адресация.

Блочная адресация

В блочной адресации размер логического блока соответствует размеру физического блока. В свою очередь в массиве LUN table с индексом, равным адресу логического блока, указывается значение, соответствующее адресу физического блока. Для изменения части блока необходимо переписать весь блок целиком.

Преимуществом блочной адресации является малый размер LUN table, что актуально для устройств с малым объемом оперативной памяти, таких как USB-флеш-накопитель или карта памяти microSD. Недостатком является то, что размер блока довольно большой (порядка мегабайтов), и для перезаписи малых объемов данных (например, 512 байт) приходится переписывать весь блок.

Страничная адресация

В страничной адресации в LUN table сохраняются адреса физических страниц. Размер логического блока при этом составляет порядка десятков килобайт.

Преимуществом страничной адресации является высокая скорость перезаписи данных, как последовательно, так и в случайном порядке. Недостатком является большой размер LUN table. Поэтому в состав большинства SSD входит микросхема оперативной памяти, объемом более 100 Мбайт.

На практике в основном применяются гибридные алгоритмы, сочетающие в себе оба варианта адресации. Например, в компактных накопителях (USB-флеш-накопитель, карта памяти SD) основная часть объема адресуется блочным методом, в то время, как часть объема, к которой часто производится обращение, адресуется постранично.

Такова структура и принципы работы накопителей на NAND флеш-памяти. О методах адресации FTL написано большое количество научных статьей и запатентовано множество решений. Производители контроллеров непрерывно работают над совершенствованием ПО даже после выхода продукта на рынок. В целом, программное обеспечение является неотъемлемой частью контроллера, и его описание заслуживает отдельной статьи.

Память будущего: как устроены SSD?

Устройство флеш-памяти представляет особенный интерес. Когда традиционные жесткие диски хранят информацию на нескольких магнитных пластинах (платтерах), где актуатор со считывающими головками получает информацию с вращающегося диска, в SSD информация хранится при помощи флеш-памяти NAND. Изначально данная технология была доступна только для использования по проводу, однако производители твердотельных накопителей не стоят на месте, поэтому сейчас рынок активно штурмуют как проводные, так и беспроводные SSD.

Рассмотрим принцип работы SSD. Информация хранится в массиве ячеек памяти, который состоит из транзисторов с плавающим затвором. Электроны в зависимости от направления напряжения перемещаются между управляющим затвором и каналом NAND. Когда на управляющий затвор подается напряжение, электроны начинают притягиваться вверх, и полученное электрическое поле помогает им достичь плавающего затвора, преодолев при этом препятствие из оксида. Благодаря ему электроны не двигаются дальше плавающего затвора. Так происходит программирование ячейки.

Отсутствие движущихся дисков подвижных частей — одно из главных преимуществ SSD над жесткими дисками, и именно это дает твердотельным накопителям работать на скоростях, заметно превосходящих HDD. Для наглядности — вот сводная таблица по времени задержки различных типов NAND и HDD.

SLC, MLC, TLC — количество бит в каждой ячейке. В SLC (Single) это один бит, в MLC (Multi) — два бита, в TLC (Triple) — соответственно, три бита. Следовательно, MLC хранит в два раза больше информации, чем SLC, и это при том, что количество ячеек то же самое. В целом, принцип работы у этих типов NAND одинаковый, что нельзя сказать о выносливости.

Если, к примеру, взять кристалл NAND плотностью 16 Гбит, получим SLC 16 Гбит при том, что в каждой ячейке один бит. Соответственно, для MLC это будет 32 Гбит, а для TLC — 48 Гбит. Правда, в последнем случае кристалл NAND все равно приходится резать, в итоге получается эквивалент 32 Гбит у MLC.

У TLC по этому параметру самый лучший показатель — этот тип NAND выдерживает широкий диапазон колебаний напряжения. Накопители с данным типом отличаются доступной ценой и большой емкостью — например, эта модель от SILICON POWER или такой накопитель производства SANDISK. Но и с SLC встречаются интересные варианты (SILICON POWER M-Series).

Несколько лет назад на смену планарной флеш-памяти NAND пришла 3D NAND. Она меньше подвержена износу за счет отсутствия необходимости в подаче высокого напряжения при записи данных в ячейку. Производители активно развивают данное направление, и на рынке уже есть много накопителей с типом памяти 3D NAND. По стоимости они дороже (A-DATA с 512 ГБ обойдется почти в 7 000 рублей, а INTEL — почти в 20 000 рублей), но и прослужат такие накопители дольше.

В этом случае мы получаем цилиндр с верхним слоем в роли управляющего затвора, при этом внутренний слой выполняет роль изолятора. Сами ячейки располагаются друг под другом, образуя стек. Управляющая логика размещается под массивом памяти, освобождается площадь чипа, где впоследствии находят себе «дом» ячейки памяти.

С этими современными технологиями SSD стали еще более производительными и имеют хорошую пропускную способность. Ожидалось, что на смену NAND придет что-то другое, и 3D NAND не заставила себя ждать. А дальше кто знает, куда нас заведут технологии.

SSD: устройство, компоненты и принципы работы

Если вы давно задумывались о приобретении SSD, то 2019 год — отличное время для покупки. Почему? Всё очень просто: цены на твердотельные накопители неуклонно падают, а на рынке представлено большое количество моделей на любой вкус, цвет и кошелек.

Да, твердотельные накопители всё ещё заметно дороже жестких дисков аналогичных объемов. Но снижение цен сделало их доступнее, чем полтора года назад, не говоря уже о более ранних периодах.

В сети вы можете найти огромное количество советов и руководств по покупке SSD. Эти статьи представлены в разных форматах и дают как самый минимум информации, так и подробные, развернутые советы. Однако будет правильным не только следовать советам, но и понимать, что именно вам рекомендуют и почему.

Данная статья изначально планировалась как развернутое руководство к выбору SSD, но на пути к публикации серьёзно изменила форму. Она не даст вам прямых советов по выбору и не проведёт через десятки моделей накопителей. Вместо этого она поможет разобраться с тем, что именно вам советуют руководства по покупке, что именно вы покупаете и для чего.

Для того, чтобы аудитории было легче пробиваться сквозь дебри пунктов и подпунктов, не заблудиться и не потерять нить повествования, я предлагаю ориентироваться на следующий примерный план статьи:

1. Введение. Плюсы и минусы твердотелых накопителей.

2. Общее устройство SSD и его компоненты.

3. Характеристики и принципы работы.

— Форм-фактор. Интерфейс подключения. М.2 NVMe.

— NAND-память. 3D NAND и принципы ее работы. 3D XPoint и Intel Optane.

— NAND-контроллер. Объемы памяти. Скоростные характеристики.

4. Несколько примеров. Интересные модели и цены на них.

Что ж, давайте начнем.

SSD (solid state drive, твердотельный накопитель) — это энергонезависимое запоминающее устройство, которое использует флэш-память для хранения информации.

В чём же заключается преимущество SSD перед классическим жёстким диском? Их несколько:

• Твердотельный накопитель позволяет работать с файлами более эффективно и на более высоких скоростях, чем классические жёсткие диски, тем самым повышая отзывчивость системы и скорость выполнения операций. Разница в скорости работы может достигать нескольких раз. Это касается не только загрузки системы, но и работы с фото, видео и графикой, а также времени загрузки в играх.

• Как и любая другая электроника, SSD не застрахованы от отказов. Но, по сравнению с классическими жёсткими дисками, твердотельные накопители намного надежнее. Они проще устроены, не обладают движущимися механическими компонентами и более устойчивы к физическим нагрузкам (например, к ударам и падениям).
• Современные твердотельные накопители легки, компактны и просты в установке. С их помощью можно повысить отзывчивость и скорость работы устаревшей системы путем замены жёсткого диска. Или же просто добавить SSD в систему как дополнительный накопитель.
• SSD не ограничены одним сценарием использования. Помимо функции накопителя, они могут работать в качестве кэша вашего жёсткого диска, тем самым ускоряя работу наиболее часто используемых программ и файлов.

Технология твердотельных накопителей не идеальна, поэтому стоит сразу упомянуть о некоторых минусах:

• Все SSD имеют ограниченный ресурс по количеству записываемой информации. Из-за особенностей архитектуры флэш-памяти и методов записи происходит деградация ячеек памяти. Со временем это приводит к уменьшению доступного объёма и отказу накопителя. Но не всё так плохо, как кажется на первый взгляд. Даже относительно бюджетные модели могут обладать ресурсом перезаписи в районе 200 циклов, не говоря уже о более дорогих моделях. Несложно подсчитать, что твердотельный накопитель ёмкостью в 500 ГБ и ресурсом перезаписи в 200 циклов позволит вам на протяжении 5 лет ежедневно записывать и перезаписывать 55 гигабайт информации, что немало.
• Несмотря на стремительное развитие на протяжении уже 10 лет, цена 1 гигабайта памяти SSD всё ещё значительно превышает цену 1 гигабайта памяти классического жёсткого диска. Разница составляет от двух раз у бюджетных моделей до десяти и более раз по сравнению с моделями верхнего ценового сегмента.

Возможно, SSD никогда полностью не вытеснят жесткие диски из нашей жизни. Но уже сейчас они представляют отличную альтернативу во многих сценариях использования.

Давайте перейдем к самому интересному — устройству, компонентам и принципам работы твердотельных накопителей.

Чтобы представленная в статье информация была более понятна, давайте начнем с краткого обзора устройства твердотельного накопителя, а затем перейдём к основной теме статьи — принципам работы.

Итак, основными элементами SSD являются:

• PCB — печатная плата.
• NAND-flash — флэш-память NAND; отвечает за хранение данных.
• NAND-controller — контроллер памяти; выступает в роли посредника между носителем и системой, и является процессором, отвечающим за производительность SSD.
• DRAM — кэш (присутствует не во всех моделях SSD); выступает временным хранилищем небольшого объема данных и позволяет стабилизировать износ памяти, а также ускорить доступ к файлам.
• HOST Interface — интерфейс подключения; тип соединения и протокол, через которые SSD соединяется с вашей системой.

Внешний вид твердотельных накопителей и их компоновка могут серьёзно отличаться от модели к модели.

Чтобы разобраться в работе SSD и всём разнообразии представленных на рынке моделей, рассмотрим виды твердотельных накопителей, их компоненты и принципы работы.

Как я уже упомянул в начале статьи, на данный момент на рынке представлено огромное количество различных твердотельных накопителей. Первое, что бросается в глаза — это различие форм-факторов. При выборе SSD для своей системы вы можете столкнуться со следующими форматами:

• mSata — несколько устаревший формат низкопрофильной платы, предназначенный для ноутбуков, планшетов и портативной техники; использует подключение через интерфейс SATA.
• 2.5 дюйма — всем знакомый по портативным жёстким дискам формат, который используется как в настольных системах, так и в ноутбуках; использует подключение через интерфейс SATA.
• M.2 — современный формат низкопрофильной платы, позволяющий осуществлять подключение через специальный слот M.2; использует подключение как через интерфейс SATA, так и через PCI-Express.
• PCI-Express AIC — карты расширения для слотов PCI-Express, предназначенные для настольных компьютеров, рабочих станций и серверов.
• U.2 — формат 2.5-дюймовых накопителей, разработанный для использования через интерфейс PCI-Express при помощи специального коннектора малого формата.

Интерфейс подключения SSD напрямую влияет на его скорость. Подробнее об этом — в следующем пункте.

Максимальная скорость передачи данных твердотельного накопителя ограничена типом подключения.

SSD потребительского сегмента используют подключение через интерфейсы SATA и PCI-Express:

• SATA/mSATA — обеспечивает передачу данных на скоростях до 6 Гбит/сек (SATA III).
• M.2 SATA — обеспечивает передачу данных на скоростях до 6 Гбит/сек (SATA III).
• M.2 NVMe — обеспечивает передачу данных по линиям PCI-Exprees на скоростях до 31.5 Гбит/сек (PCI-Express 3.0 x4).
• AIC NVMe — обеспечивает передачу данных на скоростях до 31.5 Гбит/сек (PCI-Express 3.0 x4).

Далее я бы хотел сделать небольшое отступление и подробнее остановиться на стандарте М.2 и протоколе NVMe, о которых упомянул выше.

Наиболее распространёнными форм-факторами современных потребительских твердотельных накопителей являются 2.5-дюймовый и М.2 форматы.

2.5-дюймовые SATA SSD можно охарактеризовать как некий переходный вариант в цепи развития твердотельных накопителей. Они позволяют установить новый тип накопителя в старую систему, тем самым получив все плюсы использования SSD без замены ключевых компонентов ПК.

М.2 — это современный стандарт, доля которого на рынке стремительно растет. Твердотельные накопители формата М.2 могут подключаться как по линиям SATA, так и по линиям PCIe, используя протокол NVMe. М.2 отличается от прочих форм-факторов комплексностью. Давайте рассмотрим его подробнее.

Стандарт M.2 был разработан консорциумами PCI-SIG и SATA-IO. Изначально он назывался NGFF — Next Generation Form Factor (Форм-Фактор Следующего Поколения) и был переименован в М.2 в 2013 году.

В форм-факторе М.2 выпускается большое количество карт расширения, такие как:

• модули Wi-Fi, Bluetooth и NFC.
• модули WiGig и Wireless WAN (WWAN).
• модули спутниковый навигации и цифрового радио.
• модули SSD.

Стандарт М.2 включает в себя:

• 12 вариантов подключений (keying options), обозначающихся литерами от A до M.
• 4 варианта ширины устройств (12, 16, 22 и 30 мм).
• 8 вариантов длины (16, 26, 30, 38, 42, 60, 80 и 110 мм).
• 7 вариантов толщины (высоты) устройств.

Твердотельные накопители М.2 за счёт своей компактности отлично подходят для установки как в обычные модели ноутбуков, так и в ультрабуки.

Самыми распространенными вариантами M.2 SSD являются:

• 2280 — имеют длину 80 мм и ширину 22 мм
• 2260 — имеют длину 60 мм и ширину 22 мм
• 2242 — имеют длину 42 мм и ширину 22 мм
• 2230 — имеют длину 30 мм и ширину 22 мм

Большинство материнских плат стандарта ATX, имеющих в своем составе M.2 слот(ы), поддерживают установки М.2 накопителей длиной от 42 мм до 80 мм. Отдельные модели поддерживают установку M.2 22110 SSD длиной 110мм.

У вас может возникнуть логичный вопрос: а зачем мне нужна эта информация? Всё просто — анализ совместимости накопителей различного типа и размера с вашей системой поможет выбрать подходящую модель, которая подойдет вам как по своим техническим характеристикам, так и по размерам.

NVMe (NVM Express) представляет собой спецификацию протокола доступа к твердотельным накопителям, подключённым по шине PCI-Express. «NVM» в названии спецификации обозначает энергонезависимую память (non-volatile memory).

Логический интерфейс NVM Express был разработан с нуля. Его основные цели — получение низких задержек и эффективное использование высокого параллелизма твердотельных накопителей.

Накопители, использующие NVM Express, могут представлять собой платы расширения PCI-Express (AIC), накопители U.2 и накопители форм-фактора М.2.

Твердотельные накопители M.2 NVMe отличаются компактными размерами и имеют все преимущества подключения через интерфейс PCI-Express — они обладают более высокими скоростями и более низкими задержками, чем SATA SSD. Их главным минусом является снижение производительности при перегреве (троттлинг), которое может возникать во время длительной высокой нагрузки.

Однако при сравнении производительности NVMe SSD и традиционных SATA SSD в повседневной работе и реальных сценариях использования наблюдается лишь небольшой разрыв. Всё дело в том, что в какой-то момент скорость считывания данных сравнивается со скоростью их обработки, и дальнейший рост характеристик не приводит к улучшению производительности. В таких случаях ситуацию может улучшить дальнейшая оптимизация приложений и увеличение производительности остальных компонентов системы.

Думаю, на этом знакомство с форм-факторами твердотельных накопителей можно наконец завершить и перейти к отдельным компонентам и принципам их работы. Начнем мы с памяти.

NAND-флэш является основным и самым дорогостоящим компонентом твердотельного накопителя. Выделим три основных типа памяти, используемых в современных SSD:

• Planar NAND / 2D NAND — устаревший вариант NAND памяти, который характеризуется однослойной структурой расположения ячеек памяти.
• 3D NAND / V-NAND — современный и самый распространенный на сегодняшний день тип флэш-памяти в твердотелых накопителях, который характеризуется многослойной структурой расположения ячеек памяти.
• 3D XPOINT — совместная разработка Intel и Micron, являющаяся более быстрой и более дорогой альтернативой 3D NAND памяти.

Так как 3D NAND является самым распространенным типом памяти в твердотельных накопителях, давайте рассмотрим подробнее её виды и принцип работы.

Тип 3D NAND памяти, используемый в накопителе, напрямую влияет на его эффективность и долговечность. На данный момент в твердотельных накопителях вы можете встретить следующие типы 3D NAND памяти:

• SLC — имеет ячейки памяти, содержащие один бит информации; самая эффективная, долговечная и дорогая 3D NAND памятью, использующаяся в серверных и профессиональных накопителях.
• MLC — имеет ячейки памяти, содержащие два бита информации; следующая по характеристикам и цене после SLC.
• TLC — имеет ячейки памяти, содержащие три бита информации; самая распространенная память в потребительских устройствах массового сегмента, обеспечивающая хорошее соотношение цены и характеристик.
• QLC — имеет ячейки памяти, содержащие 4 бита информации, и является самой дешёвой и самой слабой по характеристикам памятью, при этом позволяя создавать на своей основе накопители большого объёма.

Самым главным отличием различных типов 3D NAND памяти является их долговечность. Дабы понять, за счёт чего возникает эта разница, рассмотрим принцип работы 3D NAND памяти.

Память NAND состоит из ячеек транзистора с плавающим затвором, которые сохраняют заряженное состояние при отсутствии источника питания. Плавающие затворы содержат электроны, а заряженное состояние представлено двоичным разрядом 0 и разряженным состоянием 1. Двоичный бит 0 представляет данные, хранящиеся в памяти NAND.

Ячейки присутствуют в сетке, известной как блок. Отдельная строка в блоке называется страницей и поддерживает размеры 2К, 4К, 8К и 16К. Каждый блок содержит 128-256 страниц, поэтому приблизительный его размер варьируется от 256Кб до 4Мб.

3D NAND память типа SLC хранит 1 бит информации, MLC — 2 бита, TLC — 3 бита. Такая схема выглядит следующим образом.

Флэш-память сохраняет информацию путем захвата электронов в ячейках. Присвоенный ячейке заряд и определяет наличие данных. Процесс ввода-вывода электронов оказывает негативное воздействие на структуру ячейки, а часть электронов «застревает». Эти электроны создают отрицательный заряд, уменьшая диапазон напряжений, доступных для представления данных. Чем меньше становится этот диапазон, тем труднее твердотельным накопителям выполнять запись и проверять её достоверность.

Накопление электронов особенно разрушительно при более высоких битовых плотностях. MLC-память должна различать четыре возможных значения в пределах уменьшающегося окна напряжений, но TLС-память должна отслеживать в два раза больше значений, а QCL — в четыре раза больше. В результате память с более плотной компоновкой «прожигается» быстрее, тем самым имея меньший ресурс.

Продолжение цикла записи в конечном итоге приводит к тому, что ячейки становятся ненадёжными. Эти ячейки в дальнейшем удаляются и заменяются флэш-памятью, извлеченной из «резервной области» накопителя. Этот резерв новой области флэш-памяти гарантирует, что твердотельный накопитель сохраняет доступную для пользователя ёмкость хранилища, даже если отказ отдельных ячеек выводит из строя часть памяти. В конечном итоге и этот резерв истощается, и накопитель начинает выходить из строя.

Рассматривая типы памяти подробнее, нельзя не упомянуть относительно свежую разработку корпорации Intel — память 3D XPoint и накопители Intel Optane на её основе.

Intel и Micron начали совместную работу над памятью 3D XPoint в 2012 году. Ранее Intel и Micron уже занимались совместной разработкой других типов энергонезависимой памяти. Архитектура 3D XPoint использует халькогенидные материалы как для селектора, так и для хранения данных в ячейках памяти. Технология не основана на электронах и использует изменение электрического сопротивления материалов.

В отличие от NAND-памяти, у 3D XPoint нет привязки операций записи к страницам и привязки операций стирания к блокам. Кроме того, отсутствует необходимость удалять данные перед операцией записи. Это позволяет добиться сверхнизких задержек и высоких показателей чтения-записи. А так как операции с электронами в памяти 3D XPoint не используются, то и износостойкость у неё очень высокая.

Отдельные ячейки памяти в XPoint адресуются при помощи селектора, и для доступа к ним не требуется транзистор (как в технологии NAND), что позволяет уменьшить площадь ячейки и увеличить плотность их размещения на кристалле.

Intel выпускает устройства на базе памяти 3D XPoint под брендом Optane, а Micron — под брендом QuantX.

Потребительские накопители Intel Optane делятся на 3 основных модельных ряда:

• накопители малого объёма для кэширования данных (ускорение работы вашего жесткого диска).
• накопители среднего объёма для установки операционной системы и небольшого набора программ.
• накопители большого объёма для любых задач.

Если сравнивать цену на 1ГБ памяти 3D NAND и 1ГБ памяти 3D XPoint (на основе цен накопителей), то последняя дороже в 3-4 раза. Однако разница в цене компенсируется большой износостойкостью и невероятно низкими задержками доступа.

Также стоит отметить, что поддержку технологии Intel Optane имеют не все процессоры и наборы системной логики. Для использования этого типа твердотелых накопителей вам понадобится процессор 8-й серии или новее, и материнская плата с чипсетом 200-й серии или новее.

На этом можно закончить долгое отступление о принципах работы памяти и вернуться к объяснению работы отдельных компонентов. На очереди у нас — контроллер памяти.

Каждый SSD включает в себя контроллер, соединяющий компоненты памяти NAND с вашей системой. Контроллер представляет собой встроенный процессор, который выполняет код встроенного программного обеспечения и является одним из наиболее важных для производительности элементов твердотельного накопителя.

Давайте рассмотрим некоторые функции, за которые отвечает контроллер памяти:

• Bad Block Mapping — контроль вышедших из строя секторов памяти; позволяет контролировать наличие и положение повреждённых секторов и избегать размещения в них данных.
• Read and Write Caching — кэширование часто используемых данных; позволяет ускорить работу с файлами.
• Encryption — шифрование файлов.
• Crypto-shredding — криптошредирование; «удаление» данных путем преднамеренного удаления или перезаписи ключей шифрования.
• Error detection and correction via error-correcting code (ECC) — обнаружение и исправление ошибок связи; обеспечивает контроль целостности данных при записи/чтении информации или при её передаче.
• Garbage collection — сборка мусора; технология оптимизации удаления и записи страниц и блоков памяти.
• Read scrubbing and read disturb management — функции исправления «мягких ошибок» памяти и повреждённых блоков.
• Wear leveling — выравнивание износа памяти; позволяет увеличить срок службы твердотелого накопителя.

Контроллеры создаются как фирмами-производителями памяти и твердотельных накопителей (Intel, Samsung, Toshiba и др.), так и сторонними компаниями (Marvell, SandForce, SiliconMotion, Phison). Сами контроллеры, как и SSD в которые они устанавливаются, разделяются на категории в зависимости от назначения устройства. В накопители корпоративного сегмента устанавливаются самые дорогие и продвинутые модели, в то время как в бюджетные потребительские решения — базовые.

Заявленный объём флэш-памяти на устройствах отличается от реального объема доступного пользователю. Это является следствием методики подсчета, используемой производителями.

Однако при выборе SSD легко заметить, что даже заявленные объёмы памяти отличаются от таковых у обычных флэш-накопителей. Например:

• 240 или 250 гигабайт вместо 256
• 480 или 500 гигабайт вместо 512
• 960 или 1000 гигабайт вместо 1024

Происходит это из-за использования функции Over-provisioning.

Over-provisioning представляет собой резервирование дополнительного пространства памяти. Оно производится на стадии программирования прошивки для улучшения производительности и уменьшения влияния эффектов износа памяти.

Основными потребительскими характеристиками SSD, которые непосредственно характеризуют его скорость и эффективность работы, являются:

• Max Sequential Reads/Writes — максимальная скорость последовательного чтения и записи; скорость работы SSD с большими файлами на протяжении длительного отрезка времени.
• IOPS — операции ввода вывода в секунду; демонстрирует скорость работы SSD со случайными блоками по 4 KB и характеризует эффективность накопителя в типовых сценариях использования.
• Access Time (Latency) — время доступа или задержка показывает, какое количество времени необходимо накопителю, чтобы начать обработку файла.
• TBW / Cycles — суммарное количество информации, которое можно записать и перезаписать на SSD; характеризует рабочий ресурс накопителя.

В перечислении ТТХ твердотельных накопителей можно встретить упоминание поддержки функций TRIM и NCQ. Кратко, их работа заключается в следующем:

• TRIM — команда логического интерфейса ATA, которая помогает улучшить эффективность удаления информации и поддерживать высокую скорость записи.
• NCQ (Native Command Queuing) — технология оптимизации чередования команд, которая способствует ускорению доступа к данным.

Мы разобрали основные характеристики и форматы потребительских SSD, их компоненты и принципы работы. Для того, чтобы всю полученную информацию было легче усвоить, я приведу примеры хороших, на мой взгляд, твердотельных накопителей, которые можно было бы рекомендовать к покупке. Но данный пункт стоит рассматривать не как руководство, а как наглядную демонстрацию различных типов SSD.

Мы остановимся на некоторых моделях компаний Samsung, Western Digital, Intel, AData. На их основе я предложу вам примеры для ознакомления. Остановимся на моделях ёмкостью 500ГБ и 1ТБ для того, чтобы список не получился огромным. И пусть вас не смущает доминация Samsung в моем списке — конкуренция на рынке накопителей очень большая, и каждый может найти модель для себя.

Формат будет следующим:

Название модели — (краткие характеристики) — средняя цена на Яндекс.Маркете.

Отмечу отдельно — именно средняя! Разница между самой высокой ценой и самой низкой может быть довольно существенна, особенно при выборе дорогих моделей. Поэтому средняя цена служит лишь приблизительным ориентиром.

WD Blue 2.5 SATA 500GB — (TLC, 84000 IOPS, TBW 200TB, TRIM, NCQ) — 4880 р.

WB Blue M.2 SATA 500GB — (TLC, 84000 IOPS, TBW 200TB, TRIM, NCQ) — 4650 р.

Samsung 860 EVO 2.5 SATA 500 GB — (TLC, 90000 OPS. 512MB Cache, TRIM) —7200 р.

Intel 545s 2.5 SATA 512GB — (TLC, 85000 IOPS, TBW 288TB, NCQ, TRIM) — 6500 р.

WD Blue 2.5 SATA 1TB —(TLC, 84000 IOPS, TLC, TBW 400TB, TRIM, NCQ) — 9500 р.

Samsung 970 EVO M.2 NVMe SSD 500GB — (TLC, 450000 IOPS, TBW 300TB, Cache 512MB, TRIM) — 10000 р.

Samsung 970 PRO M.2 NVMe SSD 500GB — (MLC, 500000 IOPS, TBW 600TB, Cache 512MB, TRIM) — 12000 р.

Samsung 860 Pro 2.5 SATA SSD 512GB — (MLC, 90000 IOPS, TBW 600TBm Cache 512MB, TRIM) — 11000 р.

Samsung 860 QVO 2.5 SATA SSD 2000GB — (QLC, 89000 IOPS, TBW 720TB, Cache 2048MB, TRIM, NCQ) — 19000 р.

Samsung 860 PRO 2.5 SATA SSD 1024GB — (MLC, 90000 IOPS, TBW 1200TB, Cache 1024MB, TRIM) — 22000 р.

Intel Optane 800p M.2 NMVe SSD 118GB — (3D XPoint, 145000 IOPS, TBW 365TB) — 16000 р.

Надеюсь, данный пункт дал вам наглядную информацию о разнообразии представленных на рынке моделей. Потому что статья подошла к своему концу и время подводить итог.

Статья получилась достаточно большой и сложной для восприятия, поэтому я сознательно ограничил объём информации и не упомянул о некоторых моментах. Но я надеюсь, что представленная информация будет вам полезна и подвигнет на дальнейшее изучение темы уже самостоятельно. Ведь, по моему мнению, любой человек, активно сталкивающийся с какой-то современной технологией, должен иметь хотя бы базовое представление о принципах её работы. Но, возможно, это всего лишь я.

В заключении хотелось бы дать ссылки на несколько полезных ресурсов, на которых вы можете посмотреть обзоры твердотельных накопителей или почитать интересные статьи по данной теме. И по многим другим тоже.

Не стоит забывать и о Википедии — в ней имеется большое количество статей по теме NAND-памяти, SSD и их компонентам.

На этом всё. Всем добра и качественных железок.

За редактуру выражаю отдельную благодарность Егору Аргунову, Шани и Антону Рахманинову.