SSD диск

Твердотельный накопитель (англ. Solid-State Drive, SSD) — компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, альтернатива HDD. Кроме микросхем памяти, SSD содержит управляющий контроллер. Наиболее распространённый вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создаётся на базе DRAM-памяти, снабжённой дополнительным источником питания — аккумулятором.
Флеш-память NAND – это память на основе плоских однослойных структур, т.е. ячейки в чипе памяти располагаются в один слой. При увеличении ячеек памяти на плоской поверхности памяти NAND их расположение ближе друг к другу более определённого расстояния приводит к снижению надёжности SSD.
DRAM (Dynamic Random Access Memory Динамическая память с произвольным доступом) — оперативная или энергозависимая память, является рабочей областью процессора.
Типы памяти и ресурс SSD дисков
В отличие от своих «прародителей», работавших на памяти NOR и DRAM, современные SSD построены на памяти NAND – как и тот самый Flashdisk. Под словосочетанием «типы памяти» могут подразумеваться технологии памяти или типы ячеек, в которые записываются данные в виде бит. На момент написания этой статьи они представлены в таком виде:

• SLC (Single Level Cell), где в каждой ячейке хранится по одному биту;
• MLC (Multi Level Cells) – несмотря на нелогичное название, здесь всего два бита;
• TLC (Triple Level Cells) с тремя битами на ячейку;
• QLC (Quadruple Level Cells) – четыре бита на ячейку.
3D NAND – отдельная технология памяти, в которой ячейки как бы накладываются друг на друга, позволяя вместить больше ячеек и больше данных при тех же размерах SSD.
В чем же разница между ними?
Память типа SLC требует больше ячеек для хранения информации и стоит дороже, если сравнивать ее с MLC и другими типами, так как у нее больше ресурс перезаписи. Для сравнения:

• SLC — до 100 000 циклов перезаписи;
• MLC — 3000–35 000 циклов перезаписи;
• TLC — 300–3000 циклов перезаписи;
• QLC — 150–1000 циклов перезаписи.
Но почему же производители продолжают «уплотнять» битами ячейки, если это ведет к снижению ресурса диска? Постоянная работа над оптимизацией процессов и технологии изготовления массива памяти (тех самых чипов) позволила увеличить ресурс циклов перезаписи во много раз. Чтобы узнать, сколько в теории способен проработать твердотельный накопитель, достаточно обратить внимание на показатели TBW (Total bytes to be written) и MTBF (Mean time between failures).
TBW показывает, какое количество данных можно перезаписать до того, как SSD станет непригодным для записи – все верно, после отказа с них можно считывать информацию, но не записывать. Так, накопитель с TBW 600 TB способен гарантированно перезаписать 600 терабайт данных – весьма впечатляющее число. MTBF – менее информативный показатель, так как выражается в часах работы до отказа.
Что находится внутри SSD?
SSD типа 2,5″ выглядит как обычный жесткий диск такого же формата. Но стоит снять крышку корпуса – разница заметна сразу же. Внутри можно увидеть печатную плату с чипами – массивами памяти и контроллером вместо металлических пластин и подвижной считывающей головки.
SSD формата M.2 вообще не имеют корпуса. Есть корпус или нет – компоненты твердотельного накопителя остаются теми же: контроллер является по сути «мозгом» диска, а все данные хранятся на чипах памяти. Также на плате можно найти преобразователь напряжения, микросхему хранения программного обеспечения и буфер памяти, правда, последний встречается не во всех моделях.
Принцип работы SSD
Память твердотельного диска работает на транзисторах, упорядоченных определенным образом. Каждая ячейка имеет от одного до состояний заряда в зависимости от типа памяти – SLC, MLC, TLC или QLC. Заряд означает состояние ячейки: 1 – разряжена, 0 – заряжена.
Контроллер обрабатывает данные и запускает по ячейкам ток, проходящий через всю цепочку транзисторов. В результате ячейки с данными получают состояние 0. В ячейке есть два транзистора или затвора – управляющий и плавающий. Ток проходит через плавающий затвор, а электроны поступают в управляющий канал, создавая положительный заряд и записывают информацию.
Контроллер – процессор твердотельного накопителя, отвечающий за обработку данных, их распределение, стирание, поиск «мусорных» данных, а также контроль над уровнем износа ячеек и его уравновешивание. SSD может быть от любого производителя, но чип контроллера чаще всего встречается от нескольких брендов:

• отличаются поддержкой шифра AES, надежны и удобны. Иногда при переполненном кэше падает скорость передачи данных;
• хороший баланс между высокой производительностью и доступной ценой;
• обеспечивают высокую скорость работы, но увеличивают стоимость накопителя;
• недорогие; скорость передачи данных падает, если на диске осталось мало свободного места.
Скорость чтения и записи
Как было сказано выше, скорость передачи данных зависит от интерфейса твердотельного накопителя: диск с SATA III поддерживает до 600 Мбайт/сек, а PCI-Express 3.0 — до 3500 Мбайт/с и до 4000 Мбайт/с в версии 4.0. Но и это не предел – при подключении SSD к PCIe 4.0 по четырем линиям скорость может достигать 7,9 Гбайт/с.
Эти цифры показаны при работе в идеальных условиях, на практике же пропускная способность зависит от контроллера, срока эксплуатации и объема заполнения данными диска, наличия кэша и других параметров.
Максимальная производительность может потребоваться, если только SSD нужен для обработки тяжелых файлов (создание 3D, монтаж видео и так далее) или сборки топового геймерского компьютера. Для комфортной повседневной работы и отдыха будет достаточно обычного SSD среднего уровня, а для «возрождения» стареющего ПК или ноутбука подойдет и более дешевый накопитель.
Кэш SSD
Зачем SSD нужен кэш? В кэш помещаются обрабатываемые файлы перед записью на сам накопитель, а также часто используемые данные, за счет чего уменьшается время доступа к ним.
Накопители могут обходиться без кэша (он же буфер), особенно с SLC-памятью, но на самом деле кэш значительно ускоряет работу устройства. Особенно это заметно, когда накопитель одновременно выполняет несколько процессов чтения и записи, запущенных разными программами.
В некоторых накопителях вместо DRAM-кэша встречается SLC-кэш – небольшое количество SLC-ячеек, которые поддерживают высокую скорость передачи данных. SSD без кэша использует вместо него оперативную память ноутбука или компьютера.
Преимущества и недостатки SSD дисков
SSD выигрывают у жестких дисков по следующим параметрам:

• высокая производительность;
• бесшумная работа и устойчивость к ударам и тряске благодаря конструкции без движущихся механизмов;
• больше количество произвольных операций ввода-вывода (IOPS) по сравнению с HDD – быстрее обработка данных;
• низкая чувствительность к воздействию электромагнитных полей;
• низкое энергопотребление;
• меньший нагрев, за исключением мощных накопителей NVMe – они могут сильно греться и даже снабжаются радиатором для отвода тепла;
• меньшие габариты и вес.
Недостатки:

• ограниченное количество циклов перезаписи – от 150 до 100 000;
• стоимость по-прежнему выше, чем у HDD;
• невозможность восстановления данных после применения команды TRIM, удаляющей информацию из ячеек;
• производительность может снижаться при обработке файлов большого объема, особенно это заметно в бюджетных моделях и в моделях небольшой емкости;
• чувствительность к скачкам напряжения – сгорает и контроллер, и память. Правда, это можно предотвратить использованием стабилизатора напряжения, да и с ноутбуками такая ситуация случается очень редко.
В любом случае, SSD будет полезен тем, кто хочет добиться высокой производительности для решения ресурсоемких задач: обработки графики, видео- и аудиофайлов. Любители игр также оценят прирост быстродействия – для них SDD уже относится к категории must-have.
Также это недорогое и простое решение для апгрейда старого компьютера или ноутбука: SSD даже небольшой емкости, на котором будет установлена операционная система, значительно повысит производительность, а старый HDD можно использовать в качестве хранилища файлов.
На SSD большой емкости можно полностью клонировать содержимое HDD без необходимости переустановки программ и операционной системы и наслаждаться высокой производительностью любимого ноутбука или компьютера.