Твердотельный накопитель - SSD

30.03.2018

Наверное, каждый человек, который знаком с компьютерной техникой, знает или хотя бы слышал о таком устройстве, как SSD-накопитель. Что это такое и какую роль оно выполняет в работе компьютера? Если кратко, SSD используется для записи и хранения персональных данных пользователя. Можно возразить, что для этого существуют жесткие диски. И данное утверждение будет совершенно правильным, ведь эти составляющие компьютера выполняют идентичные функции. Так для чего изобрели SSD-диск, что это, как он работает и чем отличается от обычного HDD? На все эти вопросы можно найти ответы в данной статье.

Немного истории

Перед появлением твердотельных накопителей ( SSD ) на рынке главенствовали механические жёсткие диски ( HDD ).

Первый полноценный накопитель на жестком магнитном диске (официальное название) был сделан корпорацией IBM в 1973 году. Тогда его объем составлял 60 Мб (2 пластины по 30 Мб). За прошедшие 40 с лишним лет подобные устройства эволюционировали, и их характеристики улучшились в разы - как емкость, так и быстродействие. Но суть технологии не изменилась.

В основе любого HDD (от английских слов «hard» - жесткий, «disk» - диск и «drive» - в данном случае накопитель) лежит пластина, покрытая ферромагнитным слоем. С помощью головки в нем создается определенная ориентация («северный» и «южный» полюса, которые соответствуют логическим «0» и «1»).

Твердотельные накопители впервые были представлены в 1978 году. Но повсеместное их использование началось относительно недавно – первые ПК, оснащенные ими в качестве в основного накопителя, появились в 2009 году.

Твердотельные устройства хранения данных построены на основе полупроводниковых материалов, которые состоят из «ячеек». В такую «ячейку» может быть записано только два значения «0» (сигнала нет) и «1» (потенциал присутствует). Отсюда и разница между жестким диском и SSD. Отличие от HDD его состоит в том, что используется другой материал при производстве (кремний против ферромагнита) и совершено иной принцип хранения информации (микросхемы против пластин).

Solid-state drive

Популярные форм-факторы SSD
Популярные форм-факторы SSD

В твердотельных накопителях отсутствуют какие-либо движущиеся механические детали. Благодаря этому они гораздо устойчивей к внешним факторам воздействия. Например, обычный HDD-диск - достаточно хрупкая вещь, ведь если во время тряски или падения считывающая головка соприкоснется с магнитной пластиной, то это приведет к выведению из строя носителя. Но твердотельные накопители устроены совсем иначе.

Внутри этих устройств устанавливаются специальные платы, на которых распаяны чипы памяти и контроллер. Некоторые SSD-диски дополнительно оснащены компактными батарейками, которые в случае внезапного отключения электричества обеспечивают кэш дополнительным питанием, и данные сохраняются на основные чипы памяти. Теперь более подробно остановимся на основных составляющих твердотельного накопителя.

Память

В большинстве SSD-дисков используется NAND, или, как ее еще называют, Flash-память. Подобные чипы применяются в обычных usb-флешках, только в твердотельных накопителях они надежнее и имеют большую скорость обработки информации благодаря наличию контроллера. Из-за невысокой стоимости они широко используются в SSD, благодаря чему данные устройства стали достаточно доступны для большинства пользователей.

Еще одним плюсом этого вида памяти является то, что она энергонезависимая и не потребует дополнительного питания для работы.

Помимо технологии NAND, в твердотельных накопителях иногда используется RAM-SSD. Этот вид памяти имеет большую скорость записи и чтения данных благодаря использованию чипов, применяемых при создании ОЗУ. Он потребует постоянного подключения к электричеству, поэтому в SSD-дисках, использующих RAM, часто устанавливают дополнительные аккумуляторы на случай внезапного отключения питания. Из-за высокой стоимости производства данных накопителей они редко встречаются в домашних ПК и ноутбуках.

В основном RAM-SSD используются в компьютерных системах больших компаний для увеличения скорости работы с базами данных. На сегодняшний день в большинстве накопителей применяется NAND-память. Несмотря на это, данные SSD-диски отличаются друг от друга скоростью записи, чтением данных и стоимостью. Все зависит от применяемых чипов в накопителе: SLC, TLC или SSD MLC.

Что это и какая между ними разница? Так обозначаются разные типы флэш-памяти. Самой распространенной технологией является MLC, благодаря которой в одной ячейке можно сохранять 2 бита информации. TLC дает возможность записать целых 3 бита, но это приводит к более быстрому износу ячеек, поэтому данная технология не очень популярна. Самой скоростной и долговечной является SLC-память, с помощь которой можно записывать только 1 бит данных в каждую ячейку. Среди недостатков можно выделить только высокую стоимость, которая в 2 раза превышает цену SSD MLC. Соответсвенно самой распространённой является технология MLC.

Контроллер

Контроллер является самым важным элементом, без которого не сможет функционировать SSD-диск. Что это и какова его роль, выясним далее.

Данные устройства выполняют работу по распределению нагрузки между блоками памяти, отвечают за чтение и запись информации, коррекцию ошибок и сжатие файлов. Контроллер напоминает собой командный центр, где принимаются решения, связанные с обработкой данных. Именно от этой детали зависит скорость работы твердотельного накопителя и его долговечность.

Основной составляющей котроллеров является специальный микропроцессор, на который и ложится вся нагрузка. Также быстродействие устройства зависит и от качества прошивки.

Довольно много компаний занимаются производством SSD-дисков, ведь технология их изготовления достаточно проста и требует меньше времени, чем на создание классического жесткого диска. Все, что нужно, - это приобрести чипы памяти, контроллеры и платы, куда все будет распаиваться. После этого конструкцию помещают в красивый корпус с фирменным логотипом - и товар готов к продаже. Но сами комплектующие для твердотельных накопителей имеют высокую цену, к тому же больших затрат потребует создание контроллера и качественной прошивки к нему. Из-за этого стоимость SSD-дисков на сегодняшний день выше обычных HDD, хотя и снижается с каждым годом, всё сильнее приближаясь к ним.

В чём плюсы?

Лицом к лицу
Лицом к лицу

Неотъемлемой частью современного компьютера является SSD-накопитель. Что это за устройство и как оно работает, мы выяснили, осталось выделить его основные плюсы по сравнению с обычными HDD.

Начнем с положительных сторон твердотельных накопителей. Самым главным преимуществом SSD является невероятная скорость чтения и записи информации. Они в несколько раз производительней жестких дисков. Например, скорость обработки данных некоторых накопителей превышает 2000 МБ/с. На практике это дает более быструю работу программ и самой операционной системы, которая загружается в считанные секунды. Это очень важно, ведь нынешнее поколение компьютеров имеет высокую производительность, которую сильно замедляют HDD. Но с появлением новых накопителей их скорость значительно повысилась.

Следующим плюсом SSD-устройств можно назвать их более высокую устойчивость к воздействию внешних факторов. Они не имеют такого хрупкого механизма, как у винчестеров. Благодаря этому они легко переносят тряску, вибрации и умеренные удары по корпусу. Данные устройства станут отличным решением для ноутбуков. К тому же они лучше справляются с перепадами температур.

Еще одним достоинством SSD является бесшумность и невысокое энергопотребление. Из-за того что в жестких дисках имеются движущиеся механические элементы, они издают определенный уровень шума. Кроме того, в рабочем состоянии HDD имеют достаточно высокую температуру, поэтому кулерам приходится вращаться в ускоренном режиме. Но всех этих проблем лишены SSD, которые не нагреваются, не шумят и потребляют меньше электричества.

Так же стоит отметить сверх компактные размеры у некоторых накопителей. mSATA и M.2 слоты (разъёмы) позволяют компактно и скрытно расположить SSD на материнской плате, оставляя возможность подключение допотопных HDD в разъёмы SATA. Скорость передачи данных ( чтение и запись) способна превышать 1 ГБ/с как раз с помощью этих интерфейсов.

Конечно есть и другие положительные характеристики и функции SSD, но они не столь интересны.

Не без ложки дёгтя

Оценив все преимущества твердотельных накопителей, осталось выяснить, какие слабые стороны имеет жесткий диск SSD. Что это за изъяны?

Первый из них - большая стоимость подобных накопителей. Несмотря на простоту своей конструкции, изготовление чипов флэш-памяти и контроллеров - достаточно затратное дело. Но не надо огорчаться по этому поводу, ведь технологии постоянно развиваются, и постепенно цена на эти товары понижается. Уже сейчас SSD стоит вполне приемлемых денег.

После первого недостатка можно выделить и второй. Из-за высокой стоимости твердотельные накопители имеют меньшую емкость, чем жесткие диски. Например, объем памяти некоторых HDD составляет 10 ТБ, в то время как SDD дошли только до 2 ТБ.

Память твердотельных накопителей недолговечна, и после истечения определенного количества циклов перезаписи она выходит из строя. Хоть нынешнее поколение этих устройств имеет достаточно большой строк службы, но надо быть готовым к тому, что однажды накопитель перестанет работать, а восстановить информацию будет проблематично.

Хотелось бы добавить, что SSD достаточно плохо переносит скачки электричества. Если после одного из таких перепадов напряжения он сгорит, то добыть данные будет невозможно. В случае с HDD-диском в нем выйдет из строя определенный сектор, а большая часть останется целой, благодаря чему можно извлечь всю неповрежденную информацию.

Конечно это не все недостатки данной технологии, но пожалуй самые важные.

TRIM

При пользовании SSD дисками со временем возникает ситуация, когда производительность их значительно снижается. Когда вы только начали пользоваться диском и все блоки Flash памяти новые и чистые, то и скорость записи на них довольно высокая, в соответствии с заявленной в документации. Когда же SSD диск будет полностью записан, а затем некоторые файлы будут удалены, перезапись станет происходить на них на гораздо более низких скоростях. Ведь контроллеру вашего диска придется перед записью очищать и ранее использованные блоки Flash памяти перед тем, как записать туда новые данные.

Для того, чтобы скорости работы SSD не падали, в новые операционные системы добавляется команда ATA TRIM. Специальный драйвер файловой системы при стирании файла направляет команду TRIM для контроллера SSD диска. Когда контроллер SSD диска воспринимает команду, он сразу же очищает более не используемые блоки Flash памяти. Делается это в режиме фона, в перерывах между любыми операциями записи и чтения.

Использование команды TRIM позволяет вернуть нам полную скорость записей для вторично используемых блоков Flash памяти. К сожалению, далеко не все операционные системы работают с командой TRIM. Поддерживают её относительно новые версии систем:
Windows 7, 8, 10 и Server 2008 R2 — поддерживется с файловой системой NTFS.
Linux — поддерживается с версии 2.6.33 и выше.
Mac OS X — поддерживается (с версии 10.10.4 для любых SSD, до этого только SSD поставляемые Apple)
FreeBSD 8.3, 9.2, 10.0 — поддерживается с UFS и ZFS

Перспективы развития

Главный недостаток SSD-накопителей на базе флеш-памяти — ограниченное число циклов перезаписи; при развитии технологий изготовления энергонезависимой памяти, возможно, будет устранён путём изготовления носителя информации по другим физическим принципам, например FeRam, ReRAM (resistive random-access memory) и др.

Что в итоге?

SSD накопители стали неотъемлемой частью современного компьютера или ноутбука. Своё место такие диски находят в домашних ПК, профессиональных рабочих станциях, игровых компьютерах. Где-то хватает 60 ГБ «под систему». Где-то это полноценный RAID и нескольких ТБ сверх быстрых SSD. Во всех случаях обеспечивая огромный прирост производительности.

В зависимости от потребностей вы сможете сделать правильный выбор. Для дома подойдут SSD от Intel, Samsung, SanDisk и Crucial. Для профессиональных целей в основном используют сверх скоростные SSD от Samsung.

Остались вопросы - пиши личное сообщение.

Всем Мира и Технологий!