Solid state drive что это такое
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.
HDD или SSD — что выбрать?
Содержание
Содержание
«На SSD всё летает» — слышали такое? Компактные, быстрые, современные — казалось бы, пора уже поменять старый жестак на новенький твердотельник. Но не торопитесь. Рассмотрим подробно оба вида накопителей и определим, для каких задач разумно использовать HDD, а где предпочтение лучше отдать SSD.
Жесткий диск
Жесткий диск (или HDD) — устройство хранения данных, принцип записи информации в котором заключается в намагничивании областей на поверхности магнитных дисков (пластин). Магнитный диск представляет собой поверхность, изготовленную из алюминия, керамики или стекла с нанесенным на нее слоем ферромагнетика.
Для организации хранения данных магнитный диск разбивается на дорожки и сектора, а совокупность дорожек, расположенных одна над другой (на нескольких магнитных дисках), называется цилиндром.
В зависимости от объема памяти, внутри корпуса HDD могут находиться до восьми пластин. Пластины крепятся к шпинделю, вращающемуся со скоростью от 4 до 15 тысяч оборотов в минуту (rpm). Запись и чтение информации с пластины осуществляется при помощи магнитной головки.
За управление работой HDD отвечает электронная плата управления. На ней размещены центральный процессор с интегрированной ПЗУ, сервоконтроллер, кэш-память. Объем кэш-буфера в современных HDD достигает 512 МБ.
В зависимости от типоразмера жесткие диски можно разделить на две группы: 2.5-дюймовые HDD и 3.5-дюймовые. Из-за меньших габаритных размеров первые нашли массовое применение в ноутбуках. Диски формата 3.5″ повсеместно применяются в персональных компьютерах, сетевых хранилищах и системах видеонаблюдения.
В зависимости от области применения жесткие условно делятся на несколько классов:
1) Жесткие диски для персонального компьютера
4) Для систем видеонаблюдения
Твердотельный накопитель
Твердотельный накопитель (или SSD) — устройство, использующее для хранения информации флеш-память.
Существует 4 типа флеш-памяти применяемых в SSD:
Помимо различных типов ячеек для флеш-памяти существует такое понятие, как многослойность. До определенного момента времени производитель наращивал емкость кристалла памяти за счет увеличения количества бит в одной ячейке и уменьшения физического размера ячейки (техпроцесс). Но бесконечно уменьшать размер ячеек нельзя, как и увеличивать их плотность.
На смену двумерной (планарной) памяти пришла трехмерная многослойная память 3D NAND. Сейчас производители освоили процесс производства 96-слойной флеш-памяти 3D NAND, а также представили образцы 128-слойной флеш-памяти.
Кроме типа флеш-памяти есть еще один важный момент, на который необходимо обратить внимание при выборе SSD накопителя — используемый контроллер.
Контроллер управляет операциями чтения/записи данных в ячейки памяти, следит за их состоянием, выполняет коррекцию ошибок, выравнивание износа ячеек, а также другие вспомогательные функции.
В зависимости от используемого контроллера, показатели скорости работы двух SSD, построенных на одной и той же памяти, могут значительно различаться в пользу накопителя с более современным контроллером.
На момент написания статьи актуальными котроллерами являются: SMI SM2263XT, SMI SM2262EN, Phison PS5012-E12, Phison PS5008-E8, Realtek RTS5762, RTS5763DL, Marvell 88ss1093, Samsung Phoenix.
1) SSD накопители SATA — подключаются по интерфейсу SATA3, скорость линейной записи достигает 500 Мбайт/с, чтения — 540 Мбайт/с. Данные накопители можно встретить в ПК и ноутбуках средней ценовой категории.
2) SSD накопители M.2.
2.1) Без поддержки NVMe — подключаются в M.2 разъем, скорость линейной записи достигает 530 Мбайт/с, чтения — 560 Мбайт/с.
2.2) С поддержкой NVMe — подключаются в M.2 разъем, скорость линейной записи достигает 2500 Мбайт/с, чтения — 3400 Мбайт/с. Встречаются в компьютерах и ноутбуках средне-высокого ценового диапазона.
3) SSD накопители PCI-E — подключение выполняется через разъем PCI-E(в большинстве своем это адаптер PCI-E в который установлен SSD M.2 с поддержкой NVMe), скорость линейной записи может достигать 3000 Мбайт/с, чтения — 3400 Мбайт/с.
Что лучше?
Несмотря на все прелести SSD, твердотельники пока не могут полностью вытеснить HDD с рынка. И вот почему:
Как выбрать внешний SSD накопитель
Особенности внешних SSD-накопителей.
SSD (Solid State Disk – Твердотельный диск), строго говоря, диском не является. В отличие от HDD, хранящих информацию на вращающихся магнитных дисках, SSD никаких дисков не содержит. Данные в них хранятся на микросхемах flash-памяти. Из этого и вытекает большинство особенностей этого вида накопителей. Плюсы:
— SSD накопители в разы быстрее HDD. Скорости чтения и записи на твердотельных накопителях в среднем достигают 500 МБ/с, а у лучших моделей HDD эти показатели не превышают 200 МБ/с. Мало того, преимущество SSD в скорости заметно вырастает, когда нужно работать не с одним длинным файлом, а работать с множеством мелких. Скорость классического HDD при этом падает в десятки раз – ведь разные файлы могут быть расположены на разных участках диска и обращение к каждому новому файлу требует нового позиционирования записывающей головки. Скорость же SSD при работе с различными файлами падает не так сильно; в результате SSD становится быстрее HDD в сотни раз!
— У SSD накопителей отсутствуют движущиеся детали, и они совершенно бесшумны, в отличие от HDD. Современные жесткие диски, конечно, шумят не так сильно, как их предшественники десяти- двадцатилетней давности, но все равно при работе издают вполне заметные жужжание и похрустывания.
— SSD накопители намного более устойчивы к сотрясениям, опасным для HDD (зазор между диском и головкой HDD составляет всего около 0,1 мкм и сильное сотрясение может привести к касанию головкой диска, ведущему к потере данных, а то и к поломке HDD). SSD же могут спокойно выдерживать удары, сотрясения и даже падения с небольшой высоты – даже в процессе работы.
Но есть у SSD и минусы:
— высокая цена. Цена 1 ГБ SSD накопителей, в основном, находится в диапазоне 25-50 рублей (хотя встречаются модели и с 20 и с 200 рублей за ГБ). У жестких дисков этот показатель почти в 10 раз ниже – 3-6 рублей за ГБ. Проще говоря, средний SSD в 8-9 раз дороже среднего HDD аналогичной емкости. Впрочем, развитие технологий флеш-памяти еще продолжается и цены на них постоянно падают: за 5 лет, с 2012 до 2017, SSD накопители подешевели примерно в 5 раз. HDD диски за тот же период подешевели всего на 30%, так что можно надеяться, что еще лет через пять SDD накопители будут стоить столько же, сколько HDD.
— ограниченное число циклов записи. Микросхемы флэш-памяти имеют ограниченный ресурс (особенно у чипов, изготовленных по технологии TLC) и неправильное использование SSD накопителя может привести к выходу его из строя. Не следует использовать SSD накопители для задач, связанных с частыми операциями записи (хранение временных файлов, файлов подкачки, учетных записей и пр). Не следует применять к SSD накопителям сжатие данных и дефрагментацию.
Резюмируя, можно сказать, что может оказаться оптимальным выбор SSD в качестве мобильного внешнего накопителя, использующегося преимущественно для хранения (аудио- и видеофайлов, инсталляционных комплектов, архивов и баз данных). В этом случае ограниченное количество циклов записи уже не столь важно, а устойчивость к механическим воздействиям становится очень важным преимуществом.
Высокая цена SSD накопителей заставляет обращать пристальное внимание на модели подешевле, тем более что цены на них могут быть в разы меньше, чем на другие модели, аналогичные по скорости и объему. Почему?
Во-первых, цена может быть меньше из-за другого типа памяти. Самые дешевые чипы изготавливаются по технологии TLC, но они же имеют и наименьшее количество циклов записи: 1000-5000. Наиболее распространенные сегодня в SSD накопителях чипы MLC стоят дороже и в среднем имеют ресурс на 10000 циклов записи. Грубо говоря, дешевый SSD-накопитель с чипами TLC может прослужить в 10 раз меньше дорогого, с чипами ТLC.
Во-вторых, хотя большинство SSD-накопителей и комплектуется кэшем на быстродействующей DDR3-памяти, в дешевых моделях кэш может отсутствовать. Это хоть и уменьшает цену, но уменьшает также и скорость работы и ресурс накопителя.
В третьих, на дешевых накопителях производитель может сэкономить и не поставить конденсаторы поддержки питания. Если накопитель имеет кэш-память, часть данных при работе не записывается на диск, а хранится в кэше. При пропадании питания эти данные могут быть безвозвратно утеряны, поэтому большинство SSD-накопителей оснащены конденсаторами поддержки питания, накапливающими электрический заряд, достаточный для поддержания работоспособности накопителя на время переноса данных из кэш-памяти в чипы флеш-памяти.
В-четвертых, цена, разумеется, зависит от бренда. Накопитель от именитого бренда будет стоить дороже «безымянного» аналога, и не надо думать, что вы платите только за лейбл на корпусе. Дорожащий своей репутацией производитель скорее постарается организовать должную культуру производства, имеющую самое прямое отношение к качеству и надежности изделия.
Сравнение SSD-накопителей и флешек.
Объем USB-флешек растет с каждым месяцем и уже вполне добирается до объемов жестких дисков: так, на 256 ГБ можно купить как SSD-накопитель, так и флешку и HDD. И, если с HDD все понятно, то с выбором между SDD и USB Flash не так все просто: цены на них примерно одинаковы.
Принципиальной разницы между SDD и USB flash (кроме форм-фактора) нет – и те и другие используют одни и те же технологии, одни и те же интерфейсы (преимущественно USB) и одни и те же flash-чипы нескольких разновидностей. Наиболее распространенное отличие заключается в том, что флешки обычно не комплектуются кэш-памятью, поэтому проигрывают по скорости SSD-накопителям при работе с множеством файлов. Если накопитель предполагается использовать для работы, SSD с кэш-памятью может оказаться эффективнее. Если же накопитель будет использоваться для хранения и переноса, к примеру, видеозаписей, то правильнее будет отнести USB flash и SSD-накопители к одному классу устройств и выбирать уже по характеристикам.
арактеристики внешних SSD-накопителей.
Объем– основная характеристика любого накопителя, в первую очередь определяющая его цену. При выборе объема любого накопителя следует понимать, что размеры как программного обеспечения, так и медиафайлов постоянно растут, поэтому некоторый запас никогда не помешает; кроме того, SSD накопители, в силу некоторых особенностей организации записи данных, «не любят» плотного заполнения всей доступной памяти. На некоторых моделях SSD накопителей скорость записи может сильно падать при заполнении, близком к 100%.
| Объем SSD-накопителя, ГБ | 128 | 512 | 1024 (1 Tb) | 2048 (2 Tb) | |
| Цена за ГБ, руб. | 33 | 30 | 27 | 26 | 26 |
До объема в 512 ГБ выгоднее брать SSD-накопители большего объема: до этого предела цена за гигабайт снижается с ростом объема, как и на HDD. Но с некоторого предела цена за гигабайт падать практически перестает. Кроме того, при больших объемах цена SSD накопителей вырастает до внушительных чисел в несколько десятков тысяч рублей.
Интерфейс подключения внешнего SSD накопителя должен обеспечивать скорость передачи данных не меньшую, чем скорость чтения/записи на сам SSD.
Интерфейс USB 2.0 обеспечивает максимальную скорость передачи данных в 480 МБ/с, что очень близко к максимальной скорости чтения с SSD, поэтому при прочих равных параметрах лучше предпочесть накопитель с другим интерфейсом.
USB 3.0 представляется на сегодня оптимальным вариантом интерфейса для внешнего SSD накопителя:
— его максимальная скорость передачи в 5 ГБ/с заметно превышает скорость SSD накопителя и не мешает передаче данных с него;
— USB 3.0 поддерживается большинством компьютеров, ноутбуков и планшетов
— благодаря обратной совместимости USB, накопитель с интерфейсом USB 3.0 можно подключать к старым компьютерам, не имеющим USB 3.0 портов.
Интерфейс USB 3.1 предоставляет максимальную скорость передачи данных в 10 ГБ/с, что для SSD-накопителей является уже избыточным. Кроме того, при покупке SSD-накопители c интерфейсом USB 3.1, следует обратить внимание на то, каким кабелем укомплектовано устройство: если основной кабель оснащен разъемом USB Type C, для подключения к обычным разъемам USB потребуется переходник. И, хотя таким переходником многие, поддерживающие интерфейс USB 3.1, SSD-накопители укомплектованы по умолчанию, он запросто может в самый нужный момент не оказаться под рукой.
Интерфейс thunderbolt получил широкое распространение только на компьютерах Apple, Он обеспечивает высочайшую скорость передачи данных, но совершенно несовместим с интерфейсом USB. Поэтому выбирать внешний накопитель с таким интерфейсом будет уместно, только если предполагается подключать его исключительно к технике Apple. Впрочем, производители это понимают, и большинство устройств с поддержкой thunderbolt поддерживают также и USB 3.0/3.1.
Защита от внешнего воздействия – немаловажная характеристика для внешнего устройства. Хотя SSD накопители и так довольно устойчивы к механическим воздействиям, некоторые из них имеют дополнительную защиту от ударов, позволяющую накопителям не бояться падений с довольно большой высоты. А наличие защиты от влаги и пыли позволяет эксплуатировать накопитель в сложных условиях на открытом воздухе.
Наличие поддержки Wi-Fi расширяет возможности накопителя, давая возможность фактически превратить его в домашний файлсервер: данные с такого накопителя можно прочесть на любом устройстве, поддерживающем Wi-Fi.
Варианты выбора
Если вам нужно быстрое устройство хранения данных небольшого объема, можете выбирать как среди USB флэшек, так и среди SSD накопителей объемом до 128 ГБ. Стоят они в одном ценовом диапазоне: 3000 – 5000 рублей, но при работе с данными SSD накопитель может оказаться заметно быстрее флешки.
Если вам нужен быстрый диск оптимального объема, обратите внимание на SSD накопители объемом 500-512 ГБ. Стоить они будут 6000-30000 рублей.
Быстрые диски большого объема обойдутся вам в рекордные для внешних накопителей 10000-45000 рублей.