Анатомия накопителя: SSD (твердотельный накопитель)

Перевод статьи Ника Эвансона с Techspot.

Он магнитный. Он электрический. Он фотонный. Нет, речь не о новом супергеройском трио из Вселенной Marvel. Это всё про наши с вами драгоценные цифровые данные. Нам нужно хранить их в надежном и постоянном месте, чтобы была возможность заполучить, либо изменить наши файлы в мгновение ока. Забудьте о Железном Человеке и Торе — сегодняшний рассказ о накопителях!

Это одна из частей цикла статьей по компьютерному железу (подраздел накопителей). Предыдущая статья.

В то время, как транзисторы произвели революцию в компьютерах, позволив увеличить скорость, с которой схемы могли переключаться и выполнять математические операции: использование полупроводников в накопителях было направлено на получение того же результата.

Первые шаги в данном направлении были сделаны компанией Toshiba, которая предложила концепцию флэш-памяти в 1980 году. Спустя 4 года появилась NOR-память, а затем NAND-память в 1987 году. Первый же коммерческий накопитель с флэш-памятью, твердотельный накопитель (SSD) был выпущен компанией SunDisk (позже названной SanDisk) в 1991 году.

Многие люди впервые познакомились с твердотельными накопителями в форме так называемых USB-флешек. И сегодня их базовая структура показывает то, как собирается большинство твердотельных накопителей.

Слева находится чип флэш-памяти SanDisk NAND. Точно так же, как и SRAM он используется в кэше ЦП и ГП. Он заполнен миллионами «ячеек» сделанных из модифицированных транзисторов с плавающим затвором. В них используется высокое напряжение для записи и стирания заряда в отдельных местах на транзисторе. Когда происходит считывание ячейки, в эту область подается пониженное напряжение.

Если ячейка не заряжена, то при подаче этого низкого напряжения протекает ток. Это сообщает системе, что ячейка имеет состояние 0, и наоборот для состояния 1 ( когда подается напряжение, ток не течет). Поэтому чтение из NAND flash происходит очень быстро, однако для записи и удаления скорости не так уж и высоки.

Лучшие ячейки флэш-памяти — одноуровневые ячейки (SLC) обладают лишь одним уровнем заряда, применяемого на участке транзистора. Но существуют ячейки памяти с несколькими уровнями заряда. Они известны как многоуровневые ячейки (MLC), но в индустрии флэш-памяти NAND MLC обозначаются 4 уровнями заряда. Другие типы названы аналогично: трехуровневый (TLC) и четырехуровневый (QLC) имеют 8 и 16 различных уровней заряда соответственно.

Это влияет на то, сколько данных может храниться в каждой ячейке:

И так далее. Похоже, QLC — самое лучшее, да? К сожалению, нет. Поскольку потоки электрического тока очень малы и чувствительны к электрическому шуму, то для определения и подтверждения состояния заряда, его необходимо считывать несколько раз. Короче говоря, SLC — самый быстрый, но занимает наибольшее количество физического пространства; QLC — самый медленный, но вы получаете больше битов за деньги.

В отличие от SRAM и DRAM, при отключении заряд сохраняется и утечка происходит очень медленно. В случае системной памяти ячейки сливаются за наносекунды и из-за этого должны постоянно обновляться. К сожалению, использование напряжения и подачи заряда повреждает ячейки, поэтому твердотельные накопители со временем изнашиваются. Для борьбы с этим используются процедуры для минимизации скорости износа — равномерное использование всех ячеек.

Эта функция исполняется управляющим чипом (справа), который также выполняет те же задачи, что и чип LSI, который мы видели в жестком диске. Стоит отметить, что у приводов с вращающимся дисками есть отдельные чипы для кэша DRAM и ПО Serial Flash, а в USB флешке оба эти контроллеры встроены. И поскольку их цена и изготовление являются дешевыми, многого от них не ждите.

Благодаря отсутствию движущихся частей, можно ожидать производительность лучше чем у жестких дисков. Давайте взглянем на данные с CrystalDiskMark:

На первый взгляд результаты кажутся неутешительными. Скорость последовательного чтения/записи и случайной записи намного хуже, чем у протестированного жесткого диска; но произвольное чтение намного лучше, и это преимущество, которое предлагает флэш-память. Хоть запись и удаление данных производятся довольно медленно, но чтение обычно происходит почти моментально.

В этом тесте есть то, что не бросается сразу на первый взгляд. Тест USB памяти использует соединение по стандарту USB 2.0 с максимальной скоростью передачи данных всего 60 Мб/с, а жесткий диск с портом SATA 3.3 обладает пропускной способностью в 10 раз больше. Да и используемая технология флэш-памяти довольно проста: ячейки типа TLC, выстроенные длинными полосами параллельно, по другому говоря плоская или 2D компоновка.

Флэш-память, используемая в лучших SSD сегодня — SLC или MLC, они работают немного быстрее и изнашиваются медленнее, а полосы согнуты пополам и укладываются вертикально, образуя тем самым вертикальную или 3D структуру ячеек. Также в них применятся интерфейс SATA 3.0, хотя все чаще используют более быструю систему PCI Express через интерфейс NVMe.

Давайте рассмотрим один из таких примеров: Samsung 850 Pro с использованием «вертикального расположения».

В отличие от нашего тяжелого 3,5-дюймового накопителя Seagate, этот SSD имеет ширину всего 2,5 дюйма и он намного тоньше и легче.

Откроем его (Спасибо Samsung за использование таких дешевых винтов Torx, которые почти что развалились при их извлечении), и вы поймете, почему:

В нем почти ничего нет!

Ни дисков, ни рычагов привода, ни магнитов — только одна печатная плата с горсткой микросхем.

Так что же тут у нас? Крошечные черные чипы — регуляторы напряжения, но все остальное это:

В нашем распоряжении 2-битные ячейки флэш-памяти, несколько чипов памяти и много кэша, что должно привести к повышению производительности. Почему? Помните, что запись данных во флэш-память происходит довольно медленно, но наличие нескольких флэш-чипов позволяют выполнять запись параллельно. В USB-накопителе нету большого количества DRAM для хранения данных, готовых к записи, поэтому большой отдельный чип тоже должен был помочь. Вернемся же к CrystalDiskMark…

Поразительное улучшение. Пропускная способность как чтения, так и записи заметно выше, а задержки намного меньше. Что может не нравится? SSD — более мелкие по размеру, легкие по весу, без подвижных частей, потребляют меньше электроэнергии, чем дисковые накопители.

Конечно, за преимущества приходится платить определенную цену, в буквальном смысле: помните, что за 350 долларов вы бы могли купить жесткий диск на 14 Тб? В случае с SSD, за эту сумму вы получите только лишь 1 или 2 Тб. Если вам нужен такой же уровень хранения данных, лучшее, что можно получить на рынке, это потратить 4300 долларов за один твердотельный накопитель корпоративного уровня объемом в 15,36 Тб!

Некоторые производители выпускали гибридные жесткие диски — стандартный жесткий диск с небольшим количеством флэш-памяти на печатной плате, которая используется для хранения часто используемых данных на дисках. Ниже мы наблюдаем такую плату из гибрида Samsung на 1 Тб (так называемый SSHD).

В правом верхнем углу платы находится чип NAND и его контроллер. Все остальное в значительной степени совпадает с моделью Seagate, которую мы рассматривали ранее.

Используем же CrystalDiskMark в последний раз, дабы увидеть, есть ли польза от использования флэш-памяти в качестве кэша. Но сравнение будет несправедливым, поскольку скорость вращения дисков в этом приводе 7200 об / мин (в то время как у WD, который мы вскрывали — всего лишь 5400 об / мин):

Цифры немного выше, однако связано это с более высокой скоростью вращения — чем быстрее диск перемещается под головками чтения/записи, тем быстрее передаются данные. Стоит также отметить, что файлы, сгенерированные в тесте бенчмарка, не будут помечены алгоритмом как активно считываемые, поэтому сомнительно, что контроллер будет правильно использовать флэш-память.

Тем не менее, более скрупулёзное тестирование показало общее улучшение производительности HDD с использованием встроенного SSD. Однако дешевая флэш-память, скорее всего, выйдет из строя задолго до того, как это сделает качественный жесткий диск. В связи с этим, гибридные накопители не стоят внимания — в любом случае индустрия производства накопителей гораздо больше заинтересована в твердотельных накопителях.

Прежде чем мы продолжим, стоит отметить, что флэш-память — не единственная технология, используемая в твердотельных накопителях. Intel и Micron совместно изобрели систему под названием 3D XPoint. Вместо записи и стирания зарядов в ячейках для создания состояний 0 и 1, ячейки меняют свое электрическое сопротивление для генерации битов.

Intel оформила данную технологию под брендом Optane, и когда мы ее тестировали, производительность была выдающиеся. Как и цена, но в плохом смысле. Накопитель Optane объёмом в 1 Тб обойдется вам более чем в 1200 долларов, что в четыре раза дороже стоимости SSD аналогичного размера.