В отличии от классических дисков, внутреннее пространство у твердотельных дисков лишено каких бы то ни было подвижных частей, а роль пластин берет на себя массив чипов энергонезависимой памяти.
Не всегда конечно массив, так как сейчас основная отгружаемая единица чипа памяти для твердотельных дисков имеет объем в 512 ГБ, из-за чего младшие модели состоят всего из единичного модуля. Тем не менее модели объемом выше 1 ТБ набираются с шагом, близким к 512 ГБ.
И тут мы встречаемся с первой интересной особенностью SSD – плавающим объемом. На рынке есть диски объемами 64, 120, 240, 480 Гб и так далее, и, если часть дисков укладывается в логичные сборки объемом в 64 ГБ, то вторая часть выглядит как-то непонятно. Нет, эти модели не собираются из второсортных чипов, имеющих неполный объем, просто в отличии от классических дисков у твердотельных дисков часто используется резервирование объема.
Связано это с особенностью хранения информации в энергонезависимой памяти. Если в классическом HDD диске логическая единица или ноль - это наличие намагниченности в ячейке памяти, то у твердотельного SSD диска, как и у оперативной памяти – это наличие электрического заряда. И, к сожалению, на текущем этапе развития электроники, платой за доступную потребителям технологию SSD приходится оплачивать ресурсом перезаписи ячеек.
Странно звучит про доступность? Да, твердотельные диски получаются примерно в 3 раза дороже классических (в данном случае мы сравниваем домашний сегмент обоих вариантов), но тем не менее это в 300-800 раз дешевле узкоспециализированных решений для корпоративного сегмента.
128 ГБ за 2000 рублей вполне доступный вариант для операционной системы и пакета программ, но много ли пользователей согласятся отдать около 30-50 тыс. руб. за модуль объемом в 4 ГБ, лишенный недостатка ограничения цикла перезаписей? Во-первых, пользователей таких найдется не много, а во вторых, сценариев использования в домашне-офисном варианте будет еще меньше для такого объема.
Итак, текущие домашние SSD диски - это решения, доступные обычному пользователю, но имеющие недостаток в износостойкости каждой ячейки. И как и в случае со временем наработки на отказ, у жестких дисков значение циклов записи для каждого типа памяти тоже весьма и весьма усреднено. Если количество циклов заявлено 1000, это вовсе не значит, что через эту 1000 все ячейки выработают свой ресурс, просто какая-то ячейка может выйти из строя на 800-ом цикле, а какая то отработать 4000 и более циклов.
Остановимся на типах памяти у SSD дисков
Тип памяти определяется количеством устойчивых значений заряда в ячейке, при считывании которых контроллер не допускает ошибок выше определенного уровня (на данный момент, это что-то около 1 ошибки на 100 трлн (1014 ) считанных значений). Тут стоить отметить, что это не конкретные значения каждого уровня заряда, а итоговое считывание, т.к. за правильность считанных данных еще отвечает и блок коррекции ошибок (ECC).
На текущий вариант в грубом делении применяются следующие типы памяти:
SLC - single-level cell или одноуровневая ячейка, где заряд имеет только полное или отсутствующее значение, храня тем самым 1 бит информации, представляя из себя для контроллера логические 1 или 0. Ресурс до 100000 циклов перезаписи.
MLC - multi-level cell или многоуровневая ячейка, способная хранить в себе два бита информации при 4 уровнях заряда, которые представляются контроллеру как логические: 00, 01, 10 и 11. Ресурс около 5000 циклов.
eMLC – enterprise multi-level cell, в целом аналогична MLC по «механике», но имеет более высокий ресурс записи из-за применения более грубого тех.процесса – до 30000 циклов.
TLC - triple-level cell или трехуровневая ячейка, где три - на самом деле количество бит информации, а не уровней заряда, как в предыдущих вариантах. Последних, к слову, у данного типа памяти – 8 и соответственно контроллеру они передают значения 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 и 111. Ресурс около 1000 циклов.
При этом первый тип – SLC встречается уже довольно редко и практически не производится, а на смену пришла QLC, как вы, наверное, уже догадались – quadro-level cell или четырехуровневая ячейка, где 16 уровней заряда соответствуют 4 битам данных.
Чем больше значений уровня заряда способна хранить ячейка – тем больше данных можно уместить на условной площади микросхемы, что уменьшит конечную стоимость накопителя. Но платой за это будет скорость записи, т.к. контроллеру нужно передать строго определенный заряд и чем выше дробление значений, тем больше требуется времени на высчитывание необходимых токов.
Еще одна негативная вещь – это чем меньший минимальный заряд нужно поместить в ячейку, тем тоньше требуется слой изолятора между элементами ячейки и тем быстрее он «выгорает» при записи (особенно если происходит запись максимального возможного значения).
Отдельным особняком среди твердотельной памяти стоит совместная разработка компаний Intel и Micron – 3D XPoint. (Читается, кстати, и произносится это как 3Д Кросс-Поинт, а не 3Д Икс-Поинт, как может показаться). Это технология энергонезависимой памяти, основанная на физическом изменении материалов под действием электрического тока. И если в обычной NAND памяти (SLC, MLC, TLC) износ изолятора (тоже физическое изменение) является сопутствующим и негативным эффектом, ограничивающим ресурс памяти, то в случае 3D XPoint на таких изменениях и строится весь принцип работы.
Главное отличие этого типа памяти от распространённого NAND – отсутствие транзистора, роль которого и выполняет особый материал, меняющий свои свойства и находящийся между пересечениями продольных и поперечных рядов проводников, откуда и пошло наименование технологии – пересечение или crosspoint. А 3D указывает на тип компоновки – многомерный или многоэтажный.
Рыночное название продуктов на этом типе памяти – Optane у Intel и QuantX у компании Micron.
Что дает пользователю тип памяти
- Отсутствие падения скорости на всех режимах эксплуатации
То есть накопитель на такой памяти не будет записывать первые несколько гигабайт на максимальной скорости, а затем снижать скорость в разы, если не на порядки. Увы, для домашнего использования это крайне редкий сценарий.
- Значительное снижение задержек на чтение и запись
К сожалению этот параметр так же малоинтересен для типичного домашнего использования и больше актуален для баз данных с огромным количеством одновременных запросов.
Ввиду отсутствие транзистора элементно-логическая структура памяти значительно упрощена, что упрощает «уборку» мусора и проверку ячеек на износ.
И это первый значительный плюс даже в домашнем сегменте – диск не будет «задумываться» и заниматься самоочисткой и длительной диагностикой при разовом удалении большого объема информации. В зависимости от типа памяти и производительности контроллера даже современные домашние SSD диски могут на несколько минут «выпадать» из жизни системы при подобных задачах.
- Ресурс записи памяти диска
Несмотря на заложенную «механику» в работу памяти её «ячейки» все-таки изнашиваются. Но количество циклов на столько велико, что даже при постоянной и максимальной нагрузке такое решение не вырабатывает свой ресурс за 5 лет, т.е. как и в случае с SLC – оно устареет быстрее, чем сломается.
Фактически получился первый унифицированный и революционный продукт с момента массового перехода на твердотельную память. Быстрая, стабильная память с высокой нагрузочной способностью и высоким ресурсом. Единственный минус всех текущих решений на базе этой памяти это интерфейс подключения. Модули и карты расширения являются NVMe решениями, т.е. подключаются только через PCI-E интерфейс.
Итого мы получаем следующую картину:
SSD SLC – дорого, быстро, надежно и почти «неубиваемо» даже в серверных сценариях использования.
SSD MLC – дешевле, медленней и менее долговечно в серверном варианте использования и более чем достаточно при домашнем.
SSD eMLC – аналог MLC по принципу работы при характеристиках близких к SLC, включая стоимость и ресурс выработки.
SSD TLC – дешево, медленно (до такой степени, что при линейной записи проигрывают классическим дискам) и недолговечно без прибегания к некоторым ухищрениям.
SSD 3D XPoint – дороже MLC, но дешевле eMLC/SLC, «неубиваемо» в любом сценарии использования, очень быстро, но ограниченно по совместимости и применению (только PCI-E решения).
SSD QLC - при отсутствии каких-то кардинальных нововведений и революций в процессе будет совсем дешево (раза в 2,5 дешевле текущих вариантов), совсем медленно при линейной записи и с настолько малым ресурсом, что производителям скорее всего придется ограничивать и без того низкую скорость записи.
