SSD: взгляд изнутри

В компьютерной среде довольно редко появляются новые технологии, которые способны кардинально изменить производительность системы. Но в случае с твердотельными накопителями это действительно так. Они в разы быстрее жестких дисков, имеют компактные размеры и абсолютно бесшумные.

Чтобы понять, как инженерам удалось этого достичь, рассмотрим SSD изнутри.

SSD: краткий ликбез

Твердотельные накопители SSD или Solid State Disk – запоминающие устройства на базе энергозависимой памяти NAND, за запись и чтение данных с которых отвечает контроллер. По сути твердотельный накопитель – это флешка с большой емкостью.

Если сравнивать SSD с HDD, то можно назвать целый ряд явных преимуществ:

• экономное энергопотребление
• высокая скорость чтения и записи данных, которые не зависят от размещения и фрагментации
• бесшумная работа
• разнообразие форм-факторов
• устойчивость к высоким температурам
• нечувствительность к механическим нагрузкам

Не обошлось и без недостатков:

• стоимость хранения единицы объема информации выше, чем у HDD
• ограниченное количество циклов перезаписи
• при выходе из строя и сбоях практически невозможно восстановить данные

Для того, чтоб в полной мере реализовать возможности SSD, следует учитывать определенные рекомендации при их эксплуатации:

• Оптимальный сценарий использования SSD – размещение на нем операционной системы, игр, рабочих программ и приложений. Это существенно увеличивает производительность системы в целом и сокращает время запуска приложений
• Порядка 20 % памяти накопителя должно оставаться свободным. В противном случае производительность SSD существенно падает
• Не используйте SSD для длительного хранения файлов и архивов. С одной стороны, это экономически и функционально не оправдано. А с другой – запись объемных файлов приводит к чрезмерной нагрузке устройства и его быстрой деградации. По тем же причинам не стоит использовать твердотельный накопитель для скачивания торрентов
• Для эффективной работы твердотельному накопителю необходимо регулярное обновление прошивки контроллера

Твердотельные накопители для домашнего и корпоративного сегмента выпускаются в нескольких форм-факторах:

• диски 2,5"
• диски 3,5", которые представляют из себя комплект из накопителя и адаптера с правильным расположением
• микросхемы формата М.2 в нескольких размерах
• микросхемы с разъемом PCI-E

Независимо от форм-фактора и наличия корпуса, внутреннее строение SSD идентично и состоит из нескольких обязательных узлов. О каждом из них подробнее.

Печатная плата SSD

Печатная плата или PCB – это основа многих компьютерных комплектующих. По сути это пластина из диэлектрика – многослойного текстолита, на которой располагаются различные элементы, соединяющиеся между собой проводящим рисунком (полосками металла) или пайкой. В зависимости от конфигурации накопителя, элементы могут располагаться только с одной стороны платы или с обеих.

Контроллер SSD

NAND-controller – это центральный элемент накопителя, который отвечает за его производительность. По сути это размещенный на плате микрочип, который обеспечивает связь между системой и информацией, хранящейся в накопителе. Основными его функциями являются:

• операции чтения и записи
• шифрование данных
• обмен информацией по шине памяти
• исправление ошибок

Работает контроллер под командованием собственной микропрограммы, которая предустановлена с завода. Однако для сохранения эффективности она нуждается в периодическом обновлении. Обновления исправляют ошибки в предыдущих версиях, а также стабилизируют и оптимизируют работу накопителя.

Не всегда производитель SSD производит контроллеры самостоятельно. Это прерогатива нескольких компаний Intel, Realtek, Samsung.

Память SSD

Большую часть печатной платы занимают микросхемы памяти. Их размер и компоновка зависят от емкости и назначения накопителя. Зачастую это память формата 3D NAND, которая имеет многоуровневую систему ячеек. Каждая ячейка, получая заряд становится носителем 1 бита информации и приобретает значение в двоичной системе – 1. Разряженная, ячейка соответствует двоичному биту – 0.

В зависимости от количества уровней, то есть хранящихся в одной ячейке бит информации, память может относиться к одному из четырех типов:

• SLC – одноуровневая
• MLC – двухуровневая
• TLC – трехуровневая
• QLC – четырехуровневая

Однако правило «чем больше, тем лучше» в этом случае не действует. С увеличением числа уровней падает скорость и снижается ресурс накопителя в целом, однако и цена снижается также. Поэтому оптимальными вариантами на данный момент для пользовательского сегмента являются MLC и TLC.

Интерфейс SSD

HOST Interface – это элемент, который предназначен для связи диска с системой. Он определяет тип подключения и протокол, с помощью которых ОС и контроллер обмениваются информацией.

У домашних SSD форм-фактора 2,5" интерфейс соответствует жестким дискам – SATA. Скорость передачи данных зависит от версии – SATA II до 3 Гб/с и SATA III до 6 Гб/с.

Накопители формата М.2 могут подключаться с использованием интерфейса SATA III. В зависимости от конфигурации накопителя, контакты могут быть разделены на группы, между которыми находится промежуток или ключ: B, M или B&M.

PCI-E – самый скоростной интерфейс, который позволяет реализовать скорость передачи данных до 3,8 ГБ/с по двум линиям и до 10 ГБ/с по четырем линиям. При этом питание накопителя обеспечивает материнская плата.

DRAM SSD

DRAM кэш – это отдельная микросхема на печатной плате, функции которой аналогичны оперативной памяти компьютера. По сути это буфер памяти, то есть временное хранилище для данных, с которыми в данный момент работает контроллер. От объема DRAM кэш зависит производительность SSD и скорость его износа. Не каждый накопитель бюджетного сегмента может быть оснащен микросхемой кэш-памяти. У SSD корпоративного сегмента – это обязательный элемент.

Конденсаторы SSD

Конденсаторы используются только в серверных SSD. Их роль – минимизировать ущерб и избежать потери данных при неожиданных отключениях питания.

Теперь вы знаете, из чего состоит твердотельный накопитель, а значит сможете сориентироваться в структуре и ценовых категориях при покупке.