что такое ssd и как он работает
Что такое SSD и как он работает
Современные SSD — это отличный вариант на замену традиционным вращающимся жестким дискам, которые в свою очередь являются основным средством хранения информации последние 50-60 лет. Данный диск, SSD, оказался не таким уж и перспективным, когда дело доходит до конкуренции скорости работы между ним и компьютерным процессором. Он все еще остается позади, когда речь заходит о предоставлении ограниченной задержки для доступа к данным.
С другой стороны, SSD предпринял значительную попытку конкурировать с той небольшой задержкой, которой обладают различные процессоры, однако он все еще отстает от них. Тем не менее, твердотельные накопители являются преимуществом, если сравнивать их с жесткими дисками. Обычные HDD — это вращающиеся магнитные диски, используемые для хранения данных, таких как файлы операционной системы, музыка, фильмы, игры и многого другого. Жесткий диск — дешевый вариант хранилища информации и основным его недостатком является то, что он медлителен.
Если говорить о происхождении SSD, то можно считать что первыми прототипами были ламповые компьютеры, в которых применялись конденсаторы для хранения информации.
Содержание статьи:
Что такое SSD?
SSD (твердотелый или твердотельный диск) — энергонезависимое запоминающее устройство, использующее флеш-память для хранения информации.
Что находится внутри SSD?
SSD — это интегральная схема, используемая для хранения данных. Электронный интерфейс SSD совместим с интерфейсами ввода/вывода, используемыми жесткими дисками. Вы можете запросто поменять свой старый HDD на новый SSD в течение нескольких минут при условии, что вы обладаете необходимыми для этого знаниями. Без движущихся частей в своем устройстве они работают быстрее, способны переживать удары и падения. Даже если Вы случайно уронили такой диск на пол, он продолжит работать и не будет поврежден.
Память:
Ранние версии SSD основаны на энергозависимой памяти DRAM, которая обеспечивала более низкую задержку, чем в HDD. Единственный недостаток заключался в том, что данные не могли быть сохранены в памяти диска при отсутствии источника питания. Было это в 2009 году, когда только внедрили твердотелые накопители на основе энергонезависимой памяти NAND, которые способствовали широкому распространению SSD. Пусть они и медленнее тех, основа которых — DRAM, они все еще способны опережать по производительности обычные жесткие диски. Наибольшее преимущество заключается в том, что данные сохраняются нетронутыми даже в случае отключения питания.
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.
NAND Flash — это одноуровневая ячейка (SLC), которая хранит только один двоичный бит в одном транзисторе с плавающим затвором, и многоуровневой ячейке (MLC), которая хранит два бита. Понятно, что у последнего больше емкости для хранения, но он существенно дороже и при этом изнашивается быстрее. Флеш-память MLC типа NAND дешевле, чем SLC и используется в твердотельных накопителях промышленного класса, которые требуют большего объема памяти. Единственный их недостаток — более быстрый износ.
Контроллер:
Отвечает за то как данные хранятся во флеш-памяти. Он разработан для разных задач и может быть разделен на две группы:
Flash-контроллер выступает в роли посредника между носителем и компьютером. Это встроенные процессор, отвечающий за производительность SSD. Каждый раз, когда компьютер хочет получить доступ к флеш—памяти для выполнения операции чтения или записи, контроллер начинает выполнение своих задач.
Одной из задач контроллера является управление ячейками флеш-памяти. Эффективная обработка ячеек крайне необходима, поскольку SSD поддерживают огромное количество циклов чтения и записи (около 10.000). Было бы очень разумно создать что-то, что гарантировало бы равномерное(одинаковое) использование всех ячеек, что позволило бы продлить срок службы флеш-носителя. В противном случае некоторые ячейки станут неработоспособными, а другие и вовсе не были бы использованы на протяжении всей службы диска. Изготовители используют метод, известный как износ, чтобы удостовериться в равномерной деградации носителя, программируя контроллер так, чтобы тот равномерно использовал все свои имеющиеся ресурсы.
Другая, назначенная контроллеру, задача — сбор и утилизация мусора. В этом процессе, когда операция записи завершена для каждого блока памяти, контроллер проверяет блоки для страниц, которые в дальнейшем потребуются компьютеру для работы. Далее он копирует эти страницы в новый блок, заполняет его новыми данными и удаляет существующий (известный как блок Stale).
Еще одна из функций контроллера — управление критическими операциями, такими как ввод кода исправления ошибок (ЕСС), который является битовой последовательностью сохраненных данных и способствует восстановлению информации в случае повреждения. Полезной функцией окажется то, что контроллер способен отображать битые сектора во флеш-памяти, вызванные соответствующим повреждением SSD. Это могут быть как логические ошибки в секторах, которые можно восстановить, так и физические повреждения диска, представляющие собой полностью сломанные элементы памяти, исправить которые невозможно. Контроллер использует ЕСС для выполнения операции Scrubbing (очистка) памяти, которая включает в себя сканирование и восстановление поврежденных данных в разных участках ресурсов накопителя.
Восстановление SSD — сложна задача, если сравнивать ее с HDD, но и это не окажется преградой, если вы владеете необходимыми для этого знаниями. Прочитать подробнее о восстановлении SSD вы можете перейдя по этой ссылке.
Временное хранилище информации (Cache, Кэш):
Небольшое количество энергозависимой памяти DRAM функционирует как кэш для хранения данных о стабилизации износа носителя и для поддержания каталога размещенных блоков. Это существенно улучшает производительность SSD и в то же время увеличивает потребление энергии.
Принцип работы SSD
Если говорить простым языком, внутри вашего SSD есть транзисторы, которые в свою очередь выстроены в определенной последовательности. Первоначально всем этим элементам устанавливается значение 1 (разряженный). Когда начинается сохранение операции, ток начинает протекать через всю цепочку транзисторов и значение некоторых сменяется на 0, поскольку именно в них происходит сохранение данных. В сетке каждое пересечение строк и столбцов называется ячейкой.
Она состоит из двух транзисторов:
Ток течет через плавающий затвор, а электроны поступают в управляющий канал. Таким образом возникает положительный заряд, прерывающий поток электрического тока. Аналогичным образом мы можем иметь уникальный шаблон 1s и 0s, применяя правильные значения напряжения.
Похожие статьи про восстановление данных:
Разница между SSD и HDD, что лучше и надежнее для вашего ПК
Как восстановить данные с умирающего жесткого диска
Существует много способов восстановления данных с поврежденного жесткого диска на ПК под управлением.
Инструменты для восстановления SSD дисков
SSD восстановление диска является горячей темой. Существует множество мифов и неправильных представл.
Анатомия накопителей: SSD
Твёрдый, как камень
Точно так же, как транзисторы совершили революцию в компьютерной области, увеличив скорость переключения и выполнения математических операций, использование полупроводниковых устройств в качестве накопителей привело к такому же результату.
Первые шаги на этом пути были сделаны компанией Toshiba, предложившей в 1980 году концепцию флеш-памяти. Четыре года спустя она создала NOR-память, а в 1987 году — NAND-память. Первый коммерческий накопитель с использованием флеш-памяти (solid state drive, или SSD) был выпущен SunDisk (позже переименованной в SanDisk) в 1991 году.
Большинство людей начало своё знакомство с твердотельными накопителями с так называемых USB-флешек. Даже сегодня их структура в целом напоминает конструкцию большинства SSD.
Слева показан один чип NAND-памяти SanDisk. Как и SRAM, он используется в кэшах ЦП и GPU. Он заполнен миллионами «ячеек», созданных из модифицированных транзисторов с плавающим затвором. В них используется высокое напряжение для записи и стирания заряда в отдельных участках транзистора. При считывании ячейки на участок подается пониженное напряжение.
Если ячейка не заряжена, то при подаче пониженного напряжения ток течёт. Это даёт системе понять, что ячейка имеет состояние 0; в противоположном случае она имеет состояние 1 (т.е. при подаче напряжения ток не течёт). Благодаря этому чтение из NAND-памяти выполняется очень быстро, но запись и удаление данных не так быстры.
Самые лучшие ячейки памяти, называаемые одноуровневыми ячейками (single level cells, SLC), имеют только одну величину заряда, создаваемого на участке транзистора; однако существуют и ячейки памяти, способные иметь несколько уровней заряда. В общем случае всех их называют многоуровневыми ячейками (multi-level cells, MLC), но в отрасли производства NAND-памяти аббревиатурой MLC обозначают 4 уровня заряда. Другие типы имеют похожие названия: трёхуровневые (triple level, TLC) и четырёхуровневые (quad level, QLC) имеют, соответственно, 8 и 16 различных уровней заряда.
Это влияет на то, сколько данных можно хранить в каждой ячейке:
В отличие от SRAM и DRAM, при отключении питания заряд в флеш-памяти сохраняется и его утечка происходит очень медленно. В случае системной памяти ячейки разряжаются за наносекунды, а поэтому постоянно должны обновляться. К сожалению, использование напряжения и подача заряда повреждают ячейки, и поэтому SSD со временем изнашиваются. Чтобы бороться с этим, используются хитрые процедуры, минимизирующие скорость износа; обычно они делают так, чтобы использование ячеек было наиболее равномерным.
Эту функцию контролирует управляющий чип, показанный справа. Ещё он выполняет те же задачи, что и чип LSI, используемый в HDD. Однако в приводах с вращающимися дисками есть отдельные чипы для DRAM-кэша и встроенного ПО Serial Flash, а в USB-флешке оба контроллера встроены. И поскольку они проектируются так, чтобы быть дешёвыми, особой функциональности вы от них не получите.
Но благодаря отсутствию подвижных частей можно с уверенностью ожидать, что производительность флеш-памяти будет выше, чем у HDD. Давайте посмотрим на показатели с помощью CrystalDiskMark:
Поначалу результаты разочаровывают. Скорость последовательного чтения/записи и случайной записи гораздо хуже, чем у протестированного HDD; однако произвольное чтение намного лучше, и это то преимущество, которое обеспечивает флеш-память. Запись и удаление данных выполняются довольно медленно, зато считывание обычно производится мгновенно.
Однако у этого теста есть ещё одна незаметная особенность. Тест USB-памяти обеспечивает подключение только по стандарту USB 2.0, который имеет максимальную скорость передачи всего 60 МБ/с, а HDD использовал порт SATA 3.3, обеспечивающий пропускную способность в 10 раз больше. К тому же использованная технология флеш-памяти довольно проста: ячейки имеют тип TLC и выстроены в длинные параллельные полосы; такая компоновка называется плоской (planar) или двухмерной (2D).
Флеш-память, используемая в лучших современных SSD, имеет тип SLC или MLC, то есть она работает чуть быстрее и изнашивается чуть медленнее, а полосы согнуты пополам и выстроены стоймя, образуя вертикальную или трёхмерную структуру ячеек. Также в них используется интерфейс SATA 3.0, хотя всё чаще применяется более быстрая система PCI Express через интерфейс NVMe.
Давайте взглянем на один такой пример: Samsung 850 Pro, в котором использованы эти хитрости с вертикальным расположением.
В отличие от тяжёлого 3,5-дюймового привода Seagate, этот SSD имеет размер всего 2,5 дюйма и намного тоньше и легче.
Откроем его (спасибо Samsung за использование таких дешёвых болтов Torx, которые чуть не развалились при демонтаже. ) и увидим, почему:
В нём почти ничего нет!
Ни дисков, ни рычагов, ни магнитов — просто одна печатная плата, состоящая из нескольких чипов.
Так что же мы тут видим? Небольшие чёрные чипы — это регуляторы напряжения, а остальные выполняют следующие функции:
Улучшение оказалось огромным. Скорость и чтения, и записи стала значительно выше, а задержки намного меньше. Что ещё нужно для счастья? Меньше и легче, нет подвижных деталей; к тому же SSD потребляют меньше энергии, чем механические дисковые накопители.
Разумеется, за все эти преимущества имеют свою цену, и здесь слово «цена» используется в буквальном смысле: вы же помните, что за 350 долларов можно купить HDD на 14 ТБ? Если брать SSD, то за эту сумму удастся приобрести только 1 или 2 ТБ. Если вы хотите накопитель такого же уровня, то пока лучшее, что вы можете сделать — это потратить 4 300 долларов на один SSD корпоративного уровня ёмкостью 15,36 ТБ!
Некоторые производители изготавливали гибридные HDD — стандартные жёсткие диски, на печатных платах которых было размещено немного флеш-памяти; она используется для хранения данных на дисках, к которым часто осуществляется доступ. Ниже показана плата из гибридного накопителя Samsung ёмкостью 1 ТБ (иногда называемого SSHD).
В правом верхнем углу платы находятся чип NAND и его контроллер. Всё остальное примерно такое же, как и в модели Seagate, которую мы рассматривали в предыдущем посте.
Мы можем в последний раз воспользоваться CrystalDiskMark, чтобы посмотреть, есть ли какая-то ощутимая выгода от использования флеш-памяти в качестве кэша, но сравнение будет нечестным, так как диски этого накопителя вращаются со скоростью 7200 rpm (а у HDD WD, который мы использовали для аутопсии — всего с 5400 rpm):
Показатели немного лучше, но причиной этого, вероятно, является повышенная скорость вращения — чем быстрее диск перемещается под головками чтения-записи, тем быстрее можно передавать данные. Стоит также заметить, что файлы, сгенерированные тестом бенчмарка, не будут распознаны алгоритмом как активно считываемые, а значит, контроллер скорее всего не сможет правильно использовать флеш-память.
Несмотря на это, более качественное тестирование показало улучшение производительности HDD с встроенным SSD. Однако дешёвая флеш-память, скорее всего, выйдет из строя намного быстрее, чем качественный HDD, поэтому гибридные накопители, вероятно, не стоят нашего внимания — индустрия производства накопителей гораздо сильнее заинтересована в SSD.
Прежде чем мы двинемся дальше, стоит упомянуть, что флеш-память — не единственная технология, используемая в твёрдотельных накопителях. Intel и Micron совместно изобрели систему под названием 3D XPoint. Вместо записи и стирания зарядов зарядов в ячейках для создания состояний 0 и 1, для генерации битов в этой системе ячейки изменяют своё электрическое сопротивление.
Intel рекламировала эту новую память под брендом Optane, и когда мы протестировали её, производительность оказалась выдающейся. Как и цена системы, но в плохом смысле. Накопитель Optane всего на 1 ТБ сегодня стоит более 1 200 долларов — в четыре раза больше, чем SSD такого же объёма на основе флеш-памяти.
Третьим и последним накопителем, который мы исследуем в следующей статье, будут оптические приводы.
Как устроен SSD — разбираемся в деталях
Содержание
Содержание
SSD-накопители стали логичным продолжением эволюции устройств для хранения информации. Новые требования к производительности не могли не сказаться на техническом устройстве SSD-накопителей. Их внутреннее наполнение кардинально изменилось по сравнению с привычным жестким диском.
Корпус
Корпус устройства — неотъемлемая часть накопителя, которая призвана защитить хрупкие внутренние детали. В зависимости от используемого форм-фактора накопителя его внешняя оболочка может кардинально различаться. Так устройства форм-фактора M.2 могут иметь в своем арсенале лишь бумажную или металлизированную наклейку, нанесенную поверх компонентов, или же цельный металлический радиатор как и модели с физическим интерфейсом PCI-E. Основной упор в этом случае возлагается на снижение температуры SSD, а его физическая защита уходит на второй план.
Что касается накопителей форм-фактора 2.5, ситуация диаметрально противоположная. В основном, они поставляются в стандартных пластиковых кейсах, которые защищают внутренности накопителя при неаккуратном обращении. И даже падение устройства не станет для него фатальным в отличие от тех же жестких дисков. Устройствам с интерфейсом SATA свойственен невысокий нагрев, поэтому производители зачастую пренебрегают добавлением каких-либо термопрокладок. Единственным теплоотводом служит непосредственно корпус.
У пользователя, впервые увидевшего разобранный SSD 2.5, может возникнуть резонный вопрос: для чего такой большой корпус, если SSD такой мальенький? Виной тому унификация устройства. Этот формат позволяет устанавливать SSD-накопители в старые ноутбуки или системные блоки, в посадочные места, предназначенные для жестких дисков форм-фактора 2.5. Это позволяет пользователю модернизировать свой ПК минимальными средствами. Также производители получают некоторый «карт-бланш» для размещения внутренних компонентов SSD, так как остается запас пространства для увеличения печатной платы. Различие между разными моделями SSD кроме внутренних компонентов сводится к наклейке, нанесенной на корпус. Она содержит в себе техническую информацию и служит гарантийной пломбой.
Снятие наклейки лишает возможности гарантийного обслуживания.
Интерфейс подключения
HOST Interface — часть накопителя, отвечающая за подключение устройства к системе. SSD-накопители форм-фактора 2.5 имеют стандартные разъемы, свойственные жестким дискам. Для подключения используются два привычных SATA-разъема. Это семиконтактный разъем для подключения шины данных и пятнадцатиконтактный — для подключения питания. Передача данных осуществляется от контроллера к системе и обратно путем использования двух каналов передачи данных. Этот тип подключения имеет ограничение пропускной способности в 6 Гбит/с. Преимущество разъемов SATA — обратная совместимость SATA III и SATA II. Это позволяет подключить современный накопитель к плате, которой уже немало лет.
Для подключения SSD-накопителей форм-фактора M.2 используется современный интерфейс, разработанный как компактная альтернатива SATA-разъему. Все необходимое питание для работы устройства обеспечивается материнской платой. Данный интерфейс имеет в своем распоряжении 75 позиций контактов. В зависимости от конкретной модели часть этих позиций удалена слева, справа или с обеих сторон, образуя соответствующие разрезы. Эти разрезы обозначают ключ, используемый в накопителе: B, M или B&M. Накопители форм-фактора M.2 могут подключаться посредством интерфейса SATA или PCI-Express.
Печатная плата
Печатная плата — базовая основа, на которой располагаются элементы внутренней начинки накопителя. Она представляет собой пластину из диэлектрика с электропроводящими цепями электронной схемы. Компоненты на плате соединены посредством проводящего рисунка и пайки. Размер печатной платы может варьироваться в зависимости от конкретной модели и исполнения. В свою очередь размещение микросхем может быть произведено как лишь на одной стороне платы, так и с обеих сторон.
Контроллер памяти
NAND-controller — «сердце» SSD-накопителя, от которого напрямую зависит производительность устройства. Этот чип — связующее звено между флэш-памятью и непосредственно системой. С помощью него осуществляется обмен данными, операции чтения и записи, шифрование файлов, исправление ошибок и многое другое. Для работы контроллера с завода в него вшита микропрограмма, для которой периодически выпускаются обновления. Служат они для более стабильной и оптимизированной работы устройства. Зачастую производители намеренно не указывают модель установленного контроллера в устройстве, так как он может меняться в зависимости от ревизии. Пользователю остаются лишь программные методы идентификации используемой начинки или снятие наклейки на свой страх и риск.
Флэш-память
Микросхемы флэш-памяти, как правило, занимают подавляющую часть печатной платы и могут иметь разнообразнейшую компоновку. И это неудивительно, ведь они хранят в себе всю информацию, которую пользователь записывает на SSD-накопитель. Самой массовой вариацией флэш-памяти, используемой в накопителях, является 3D NAND с многослойной структурой ячеек памяти. А от типа памяти NAND напрямую зависит долговечность накопителя и его характеристики. Существуют четыре типа NAND памяти: SLC, MLC, TLC и QLC. Различаются они количеством бит информации, хранящихся в одной ячейке, — соответственно от одного до четырех. И правило «чем больше, тем лучше» здесь не работает. Более высокая плотность информации в ячейке ведет к ухудшенным характеристикам памяти и снижению ресурса накопителя.
DRAM кэш и конденсаторы
DRAM кэш представляет собой отдельную микросхему, которая по функционалу напоминает оперативную память компьютера. Она ускоряет работу накопителя, используя некоторый объем памяти для временного хранения данных. Такой подход позволяет ускорить доступ к файлам и стабилизировать износ памяти. Этот чип отсутствует в большинстве бюджетных решений.
Намного реже встречающийся компонент в бытовых SSD-накопителях — конденсаторы. Они призваны помочь в решении проблемы потери электропитания. Неожиданные отключения питания пагубно влияют на информацию, с которой работает SSD-накопитель, а конденсаторы позволяют уменьшить вероятность повреждения и утери данных. Из-за специфичности данной функции используются они в серверных решениях.