Що таке SSD і принцип його роботи

Рекламний блок


Сьогодні ми з Вами розберемо основні моменти та принципи функціонування технології твердотільних SSD дисків. Як Ви пам'ятаєте, в першій частині статті ми проводили порівняльне тестування одного SSD і двох HDD дисків. Розглядали, як він виглядає зсередини і з яких основних блоків складається.

Також перерахували основні переваги даної технології, а зараз розглянемо недоліки, які притаманні їй на даний момент. Наведемо основні з них у вигляді списку:

  • Висока (відносно HDD дисків) вартість зберігання даних, тобто - меншу ємність диска ми отримуємо за великі гроші
  • Велика вразливість (щодо пристроїв з магнітним принципом запису) до електричних перешкод і проблем енергопостачання (раптове відключення енергії, магнітні поля, статична електрика)
  • Не можна повністю заповнювати диск (15-20% простору має бути вільним)
  • Термін служби носія обмежений певною кількістю циклів запису його осередків

  • Але давайте по порядку! Почнемо з того, що таке SSD диск і який принцип його роботи?


    Вот так выглядит SSD диск

    Це - твердотільний накопичувач, в якому замість традиційних пластин жорстких дисків, покритих феромагнітним шаром, використовуються чіпи NAND флеш пам'яті.


    Чипы флеш памяти NAND

    NAND пам'ять це - еволюція флеш-пам'яті, чіпи якої мали набагато меншу швидкодію, довговічність і конструктивно виглядали більш масивними.

    Можливо Вам буде цікаво, що флеш-пам'ять були розроблена в одному з підрозділів компанії «Toshiba» в 1984-му році. Перший комерційний чіп на основі даної розробки в 1988-му році випустила «Intel». А вже через рік (у 1989-му) та ж «Toshiba» представила новий тип флеш-пам'яті NAND.

    На даний момент є три основні варіанти (модифікації) NAND пам'яті:

  • SLC (однорівнева - Single Level Cell)
  • MLC (дворівнева - Multi Level Cell)
  • TLC (трирівнева - Three Level Cell)

  • Найдорожчими і надійними рішеннями є пристрої на чіпах SLC. Чому? Вони дозволяють в кожній комірці пам'яті зберігати тільки один біт інформації. На відміну він них, MLC і TLC чіпи можуть зберігати два і три біта відповідно. Це стало можливим за рахунок використання різних рівнів електричного заряду на затворах комірок пам'яті.

    Схематично це можна зобразити так:


    Разные типы технологии флеш памяти

    Така багаторівнева структура дозволяє різко збільшити ємність чіпів при тому ж їх фізичному обсязі (в результаті кожен гігабайт виходить дешевше). АЛЕ! Нічого не дається безкоштовно! Тому у MLC і TLC чіпів різко скорочується термін їх "життя", який безпосередньо пов'язаний з кількістю циклів перезапису їх осередків.

    Для SLC це - 100 000 циклів стирання/запису, для MLC - 10 000, а для TLC - всього 5 000. Таке зниження надійності пов'язано з поступовим руйнуванням діелектричного шару плаваючого затвора комірки з-за малого резерву зміни його стану під дією електричного струму. Плюс в силу того, що з кожним новим рівнем ускладнюється завдання безпомилкового розпізнавання рівня електричного сигналу, а отже - збільшується загальний час пошуку потрібної клітинки з даними, підвищується ймовірність виникнення помилок читання.

    Для боротьби з описаними вище явищами, виробникам доводиться розробляти спеціалізовані високоінтелектуальні мікроконтролери управління для SSD дисків, які, крім процедур введення-висновку, повинні записувати інформацію на диски так, щоб мікросхеми його флеш-пам'яті зношувалися рівномірно і контролювати цей знос, балансуючи навантаження, також - проводити корекцію помилок і т. д.

    Саме контролер є слабким місцем твердотільних SSD дисків, так як він більш чутливий до проблем з харчуванням і пошкодження мікропрограми (firmware), що знаходиться в ньому, може призвести до повної втрати всіх даних користувача. А їх коректне відновлення - ще більш трудомісткий операція, ніж у випадку з HDD дисками. В силу того, що дані розкидані по різних чіпів пам'яті і необхідно коректно відновити первісну їх структуру, а це буває не просто.

    Тому виробники SSD накопичувачів регулярно оновлюють прошивки своїх дисків і викладають їх для вільного скачування, допрацьовує і покращуючи алгоритми роботи пристрою і запобігаючи втрату даних у разі аварійної ситуації.

    Рекомендація! Періодично оновлюйте "прошивку" (firmware) свого SSD, завантажуючи її з сайту виробника.

    З зносом MLC комірок пам'яті виробники борються ще й методом, який добре зарекомендував себе в дисках з магнітним принципом запису: резервуючи частину їх обсягу (10-20%) для динамічної заміни зношених осередків. У разі HDD ця область служить для заміни бед секторів вінчестера.

    Але і ми, як користувачі, можемо допомогти нашому SSD накопичувача в холосту не розтрачувати свій обмежений ресурс "життя" і налаштувати операційну систему таким чином, щоб мінімізувати непотрібні звернення до диска.

    Я покажу загальні принципи того, що потрібно робити і чого намагатися уникати, а Ви вже самі налаштуєте свою систему на оптимальну роботу з твердотілим диском.

    Наприклад: ми знаємо, що операційна система «Windows» під час своєї роботи активно використовує файл підкачки (прихований системний файл «pagefile.sys»). Що це означає, стосовно зносу осередків SSD накопичувача і всього того, про що ми говорили вище? А те, що окрема область системного флеш-диска інтенсивно використовується (часто перезаписується якимись службовими і не потрібними нам дані і, за фактом, - активно зношується)!

    Що можна зробити? Правильно! Перенести файл підкачки на інший (не SSD диск), як зробив я, або ж, при великому обсязі оперативної пам'яті, зовсім від нього відмовитися (виставити в «0»)?

    Йдемо далі: процедура дефрагментації не тільки не потрібна даного типу пристроїв (швидкість доступу в них однакова для будь-якої комірки не залежно від того, де знаходиться кінцевий файл), але і просто шкідлива. З тієї ж причини, що описана вище. Зайві (холості) звернення до диска тільки додатково знижують його обмежений ресурс. Значить - вимикаємо відповідну службу дефрагментації. Також не зайвим буде відключити індексування файлів, яке потрібно для більш швидкого пошуку, але чи часто ми ним користуємося?

    Принцип, я думаю, Ви зрозуміли. А зараз я б хотів показати Вам невелику програму «SSD Mini Tweaker» (твікер - оптимізатор), яка подібним чином оптимізує роботу SSD накопичувача. В ній досить проставити потрібні нам галочки навпроти відповідних пунктів і натиснути кнопку "Застосувати зміни".


    Окно программы SSD Mini Tweaker

    Комп'ютер перезавантажиться і зміни вступлять в силу. Програма чудова тим, що має російський інтерфейс і докладну довідку російською ж. Так що, в будь-який момент Ви можете детально ознайомитися з тією функцією, яку збираєтеся відключити або залишити задіяної.

    Завантажити утиліту можна з нашого сайту. В архіві - версії для 32-х і 64-х розрядних систем і файл довідки російською.

    Коль скоро ми так багато часу приділили питанню оптимального використання диска і зношування комірок пам'яті, то не можу не представити Вам ще одну цікаву розробку. Програма «SSD Life Pro», основне завдання якої - вести облік часу роботи диска і повідомляти приблизну дату виходу його з ладу.

    На жаль, утиліта не змогла підрахувати "час життя" мого диска «Plextor», але показала деяку іншу цікаву інформацію.


    Программа SSD Life Pro

    Що ми тут бачимо? Запис «FW: 1.00» це - версія прошивки (firmware) диска, нижче показано зайняте і вільне місце на ньому, загальний час роботи з першого включення і кількість пусків. Також зверніть увагу на рядок TRIM (повинен бути активним), це говорить про те, що продуктивність SSD диска буде оптимальною.

    Нижче представлений скріншот роботи тієї ж програми, але взятий з сайту її розробника. На ньому видно, що диск від компанії «Intel» коректно передав утиліті свої SMART параметри і на основі них утиліта відобразила розширений прогноз його стану.


    Расчет времени жизни винчестера

    Як бачите, вихід з ладу накопичувача "призначений" на сьоме листопада 2020-го року :)

    Якщо ми натиснемо у верхній частині вікна програми на посилання «Як ви вважаєте?», то перейдемо на сайт розробника і зможемо ознайомитися (російською), яким саме чином провадиться такий розрахунок?

    Програму можна завантажити прямо тут. Якщо вона точно покаже час "життя" Вашого диска - відпишіться, думаю, всім читачам буде цікаво!

    На завершення цієї теми, прислухаємося до рекомендації усіма поважної фірми «Intel», яка говорить, що ідеальними умовами роботи твердотілого SSD диска є його заповненість даними менше ніж на 75% із співвідношенням статичної (рідко змінною) та динамічної (змінною часто) інформації - 3 до 1. Не слід використовувати останні 10-20% простору диска, так як вони потрібні для коректної роботи команди «TRIM». Для роботи їй потрібно вільний простір для перегрупування даних (так само, як для функції дефрагментації). Загальне правило таке - чим більше вільного місця - тим швидше працює пристрій.

    На даний момент SSD диск ідеально підходить в ролі системного розділу, на якому встановлена операційна система і програми, і все. Дані і вся робота над ними повинна (по можливості) проходити на другому (HDD) диску. Також твердотільні диски можуть ефективно використовуватися на серверах для кешування статичних даних.

    А зараз, давайте коротко розглянемо, чому більш дорогі моделі SSD твердотільних дисків мають такі чудові швидкісні якості і чим ще відрізняються від своїх "молодших" побратимів?

    По перше: це - той самий інтелектуальний чіп контролера накопичувача, який може бути сконструйований, як багатоканальний тобто - може записувати дані одночасно в кожен чіп флеш-пам'яті диска. В результаті - загальна продуктивність пристрою буде дорівнює швидкості однієї мікросхеми пам'яті, помноженої на кількість каналів контролера. Ну, це якщо дещо спростити ситуацію :)

    Також в більш дорогих моделях використовуються додаткові елементи, напаиваемые на плату. Це може бути, наприклад, ряд конденсаторів, розташованих біля чіпа оперативної пам'яті диска, які забезпечують гарантоване збереження даних з кеш-пам'яті при збої електроживлення.

    При досягненні критичної маси відповідних комірок накопичувача, якісно виконана прошивка чіпа може повністю заблокувати SSD диск для функцій запису і перевести його в режим "тільки читання", що гарантує схоронність даних користувача (можливість зробити резервну копію даних) до повного виходу пристрою з ладу.

    І на завершення нашої статті давайте торкнемося ще однієї цікавої різновиди твердотільний дисків. Це - «RAM SSD» накопичувачі. Що ж це таке?

    Подібні гібридні пристрої використовують для зберігання інформації енергозалежні чіпи, повністю ідентичні тим, що використовуються в модулях оперативної пам'яті комп'ютера. Вони мають надшвидкої швидкістю доступу до даних, швидкістю читання і запису і можуть з успіхом застосовуватися для прискорення роботи великих баз даних і там, де потрібно пікове швидкодію.

    Подібні системи оснащуються акумуляторами для підтримки функціонування при відсутності електроенергії, а більш дорогі моделі - системами резервного копіювання, коли дані копіюються на HDD носій.

    Ось як може виглядати подібне пристрій, який визначається операційною системою як жорсткий диск.


    RAM SSD накопитель

    А ось - більш простий варіант, виконаний у вигляді плати PCI Express X1


    SSD RAM форм фактора PCI Express X1

    Як бачите, принцип роботи тут - той же самий, але функцію чіпів флеш-пам'яті або "млинців" HDD тут виконують звичайні модулі пам'яті RAM.

    Тепер, як і обіцяв, пару слів хочу сказати про суб'єктивні відчуття після використання твердотільного накопичувача. Операційна система (Windows 7) завантажується і вимикається відчутно швидше. Це ж можна сказати і про установці і запуску програм. Деякі програми просто вражають: «Microsoft Word 2003» "вистрілює" менше, ніж за секунду! Не встигаєш подумки підготуватися до роботи з ним :) Так, швидко, але не чекайте чогось феноменального, все таки це не "революція", "еволюція" :)

    На цьому у мене на сьогодні - все. До зустрічі в наступних статтях!

    І в самому кінці - як виглядає виробництво чіпів NAND пам'яті:





    Рекламний блок