SSD: устройство, компоненты и принципы работы

Введение в мир твердотельных накопителей.

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.

5. Заключение.

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:

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

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:

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:

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:

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:

Стандарт М.2 включает в себя:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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:

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

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.

ADATA XPG SX8200 Pro M.2 NVMe 512GB — (TLC, 380000 IOPS, TBW 320TB) - 7800 р.

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

Western Digital WD Black M.2 NVMe SSD 500GB — (TLC, 330000 IOPS, TBW 300TB, TRIM) — 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.

#лонг #long #ssd #dtf_gang #твердотельный_накопитель