Твердотельные накопители (твердотельные накопители ) быстро становятся предпочтительным компьютерным хранилищем для операционных систем и приложений. Вы найдете их в новейших ноутбуках, телефонах, планшетах и даже консолях.
Обладая превосходной производительностью и долговечностью, эти накопители произвели настоящий фурор, но что такое твердотельный накопитель?
Как работают традиционные жесткие диски (HDD)
Чтобы понять, чем отличаются твердотельные накопители, нам нужно ненадолго повернуть время вспять и взглянуть на традиционные жесткие диски (HDD). До недавнего времени жесткий диск был стандартным типом накопителя практически на всех компьютерах.
Внутри жесткого диска вы найдете один или несколько вращающихся дисков, называемых «пластины». Каждая пластина разделена на дорожки и сектора. Пластины обычно изготавливаются из алюминия или стекла и покрываются магнитным материалом.
Поверхность диска содержит миллиарды отдельных областей, каждая из которых представляет один бит данных. Область может быть намагничена или размагничена, обозначая единицу или ноль.
Пока вращающиеся пластины движутся со скоростью тысячи оборотов в минуту, крошечные головки чтения и записи, прикрепленные к качающимся рычагам, парят на высоте волоса над пластиной, считывая с накопителя или записывая на него.
Жесткие диски — невероятно сложные устройства со множеством крошечных, точных и хрупких движущихся частей. Это современное чудо, что они работают так хорошо.
Как работает твердотельный накопитель (SSD)
Твердотельные накопители имеют больше общего с полупроводниковыми устройствами, такими как процессоры и ОЗУ, чем с жесткими дисками. И твердотельные, и жесткие диски действуют как устройства хранения данных, но твердотельные накопители работают по-разному.
Внутри обычного твердотельного накопителя вы найдете только компьютерные чипы. В SSD есть чип-контроллер, который управляет тем, как и где хранятся данные, но основная часть SSD состоит из микросхем флэш-памяти.
Флэш-память является «энергонезависимой» памятью. Энергозависимая память, как и ОЗУ, не сохраняется при отключении питания — хранящиеся в ней данные исчезают. Напротив, при использовании энергонезависимой памяти (например, твердотельных накопителей или USB-накопителей) ваши данные сохраняются даже при отключении питания. Вот почему флэш-накопители USB еще называют «флэшками»!
Современные твердотельные накопители (а также большинство USB-накопителей и карт памяти) используют флэш-память типа NAND. Он назван в честь одного из типов логических элементов, которые можно сделать в микрочипе. В памяти NAND есть «ячейки», которые могут удерживать разные уровни электрического заряда. Измерив уровень заряда ячейки памяти, вы можете определить, представляет ли она единицу или ноль. Чтобы изменить содержимое ячейки, просто измените уровень заряда внутри нее..
В мире NAND-памяти существует множество различных вариантов технологии. Например, вы, возможно, видели некоторые твердотельные накопители Samsung с маркировкой «V-NAND» или «вертикальная» NAND. Здесь ячейки памяти расположены вертикально, что позволяет увеличить емкость хранилища при том же объеме кремния. Intel 3D NAND также представляет собой более или менее ту же самую технологию.
Типы твердотельных накопителей и интерфейсы
Твердотельные накопители бывают различных форм-факторов и типов флэш-памяти NAND. Это определяет максимальную производительность SSD, а также его цену.
Типы флэш-памяти
Все флэш-памяти NAND различаются по плотности данных и производительности. Из нашего обсуждения выше вы помните, что твердотельные накопители хранят данные в виде электрических зарядов внутри ячеек памяти.
Если в ячейке хранится только один бит данных, она называется SLC или одноуровневой ячейковой памятью. Память MLC (многоуровневая ячейка) и TLC (трехуровневая ячейка) хранят два и три бита данных на ячейку соответственно. Память QLC (четырехуровневая ячейка) обеспечивает четыре бита на ячейку.
Чем больше бит данных вы можете хранить в одной ячейке, тем дешевле может быть ваш SSD или тем больше данных вы можете поместить в одно и то же пространство. Это звучит как отличная идея, но благодаря принципу работы твердотельных накопителей диски выходят из строя быстрее при использовании многобитного метода хранения. Память SLC — это самый производительный и надежный тип NAND с длительным сроком службы. Однако он также является самым дорогим и встречается только в приводах высокого класса.
Поэтому большинство потребительских твердотельных накопителей используют MLC или TLC и используют специальные методы, позволяющие максимально продлить срок их службы. Проблему износа твердотельных накопителей мы рассмотрим чуть позже в этой статье, посвященной недостаткам этой технологии.
Форм-факторы SSD
Твердотельные накопители бывают разных форм-факторов. «Форм-фактор» — это просто физическая форма устройства и стандарт подключения, которому оно соответствует. Поскольку твердотельные накопители изначально были разработаны для замены жестких дисков, первые устройства, предназначенные для потребительских настольных компьютеров, предназначались для установки там, где раньше были жесткие диски.
И здесь на сцену выходит дизайн 2,5-дюймовый твердотельный накопитель SATA. Вы можете просто вынуть жесткий диск вашего 2,5-дюймового ноутбука и подключить один из этих твердотельных накопителей..
Твердотельному накопителю внутри этого корпуса не нужно столько места, но это имело смысл, поскольку ноутбуки и большинство современных настольных компьютеров уже имеют отсеки для 2,5-дюймовых дисков и разъемы SATA на материнских платах. Вы также можете приобрести адаптеры, позволяющие разместить 2,5-дюймовый диск в 3,5-дюймовый отсек настольного компьютера.
Помимо того, что эти 2,5-дюймовые диски занимали ненужное пространство, их скорость была ограничена 600 МБ/с, поскольку это предел интерфейса SATA 3.
Стандарт mSATA (mini-SATA) решает проблему свободного места. mSATA физически имел ту же форму, размер и разъем, что и стандарт карты PCI Express Mini, но эти два типа карт электрически несовместимы.
Стандарт mSATA теперь заменен стандартом M.2. Твердотельные накопители M.2 могут быть SATA или PCIe, в зависимости от комбинации карты и материнской платы.
Карты M.2 также могут быть двусторонними с компонентами на обеих сторонах и различаться по длине. Всегда важно убедиться, что материнская плата вашего компьютера совместима с твердотельным накопителем M.2, который вы хотите использовать с ним!
Твердотельные накопители NVMe используют стандарт энергонезависимой памяти Express, благодаря которому компьютер может получить доступ к памяти SSD с помощью PCIe, который чаще используется для видеокарт. PCIe имеет гораздо большую пропускную способность, чем SATA, что позволяет быстрой SSD-памяти полностью раскрыть свой потенциал.
Преимущества твердотельных накопителей
Существует множество причин, по которым твердотельные накопители быстро становятся стандартом в технологиях хранения данных. Несмотря на то, что некоторые проблемы раннего развития на какое-то время не позволили им войти в основной компьютерный мир, сейчас они достигли той точки, когда мы можем рекомендовать их всем. Даже новейшие игровые консоли теперь используют SSD. Вот основные преимущества, которые привели твердотельные накопители к нынешней популярности.
Твердотельные накопители быстрые
Самый быстрый в мире механический жесткий диск — Seagate Маха.2 Exos 2X14 — может достигать постоянной скорости передачи данных 524 МБ/с. Это почти так же быстро, как твердотельный накопитель SATA 3, но типичный механический диск, который можно найти в современных компьютерах, может достигать скорости где-то между 100 МБ/с и 250 МБ/с, если вы ищете high-end рынок. .
Типичные твердотельные накопители M.2 PCIe, например те, которые используются в ноутбуках среднего класса, обеспечивают скорость от 2,5 до 3,5 ГБ/с. Новейшие твердотельные накопители M.2 PCIe приближаются к скорости 8 ГБ/с, а это ошеломляющий объем данных. Скорость последовательной записи обычно немного ниже скорости чтения, но данные передаются с огромной скоростью в обоих направлениях..
Дело не только в скорости передачи данных. Механическим жестким дискам требуется время, чтобы раскрутить пластины и установить головки на место. Поиск правильного места на блюде для запроса данных называется «временем поиска». Для твердотельных накопителей это значение задержки фактически равно нулю.
SSD может мгновенно считывать данные из любого места в ячейках своей памяти и даже делать это параллельно. Независимо от того, как вы это сделаете, твердотельные накопители находятся в другой вселенной производительности, чем даже лучшие механические жесткие диски, независимо от того, как вы это сделаете.
При замене жесткого диска компьютера на SSD вы получаете гораздо более быстрое время загрузки и очень быстрое реагирование системы. Просто потому, что вашему процессору никогда не придется ждать данных с ваших накопителей. Это отличный способ дать старой системе Windows новую жизнь.
Твердотельные накопители долговечны
Твердотельные накопители примерно так же долговечны, как и любые другие твердотельные компоненты, такие как ЦП или ОЗУ, без движущихся частей. Если скачок напряжения не уничтожит их, они должны работать неопределенно долго или, по крайней мере, до тех пор, пока компьютер остается вам полезным. Флэш-память также очень устойчива к ударам, в отличие от жестких дисков, которые легко разрушаются при падении, особенно во время вращения пластин.
Благодаря своей долговечности они идеально подходят для ноутбуков, и именно поэтому ультрабуки, такие как Apple MacBook Air, iMac и другие представители семейства компьютеров Mac, оснащены высокопроизводительными встроенными твердотельными накопителями.
«Долговечность» в данном случае не относится к явлению износа твердотельного накопителя, которое мы рассматриваем в списке недостатков ниже.
Твердотельные накопители не страдают от фрагментации
Фрагментация данных — настоящая проблема на жестких дисках. Это происходит, когда новые данные записываются на первое свободное место на диске. Таким образом, данные данного файла или набора связанных файлов могут быть разбросаны по всей физической области диска диска.
Это снижает скорость последовательного чтения и увеличивает время поиска, поскольку головки дисков летают повсюду, пытаясь найти все части файла. SSD-накопители по своей природе не подвержены фрагментации. Дело не в том, что файлы не фрагментированы. Просто это не имеет значения, потому что здесь нет движущихся частей и нет времени на поиски, о котором можно было бы говорить..
Дефрагментация приводит к ненужному износу диска. Если вы хотите узнать больше о фрагментации SSD, прочитайте Стоит ли дефрагментировать SSD?
Твердотельные накопители работают тихо
Жесткие диски шумят! Гул мотора, свист диска, щелканье движущихся вперед и назад головок привода — вот уже десятилетия фоновый шум для пользователей компьютеров.
Твердотельные накопители, напротив, вообще не шумят. Это может показаться тривиальным преимуществом, но шумные компоненты компьютера раздражают. В некоторых случаях использования, например, в компьютерах, используемых для записи звука, уровень звука имеет решающее значение. Были дорогие жесткие диски со специальными креплениями и конструкциями, которые пытались снизить шум жесткого диска, но с твердотельными накопителями проблема полностью решена.
Вот почему теперь у нас есть такой компьютер, как Apple M1 Макбук Эйр, у которого нет вентиляторов и механического жесткого диска. Весь компьютер является полупроводниковым и поэтому не издает никакого шума!
Твердотельные накопители маленькие и энергоэффективные
Твердотельные накопители занимают гораздо меньше места, чем жесткие диски, и для работы им требуется гораздо меньше энергии. Это означает, что у нас могут быть меньшие и более тонкие компьютеры, планшеты, смартфоны и другие электронные устройства, которым требуются быстрые энергонезависимые накопители.
Твердотельные накопители могут почти полностью переходить в спящий режим, когда они не используются, и, в отличие от жестких дисков, они могут практически мгновенно переключаться в режим высокой производительности. В целом энергопотребление SSD особенно важно для увеличения времени автономной работы мобильных компьютеров и других гаджетов, которые их используют. Для работы электромеханических устройств просто требуется больше энергии, чем твердотельных устройств.
Твердотельные накопители могут уменьшить размер установки
Твердотельные накопители могут уменьшить размер установки некоторых приложений, особенно видеоигры. Когда приложения полагаются на быструю потоковую передачу данных в память, разработчики могут дублировать информацию в нескольких местах на жестком диске. Это сокращает время поиска, поскольку головки привода всегда находятся рядом с копией необходимых данных. Это хитрый трюк, но за него приходится тратить место для хранения данных.
Приложениям, разработанным для твердотельных накопителей, это вообще не требуется. Поскольку SSD практически не имеет задержки и может немедленно считывать данные из любого места на диске, должна присутствовать только одна копия данных..
Такие консоли, как PlayStation 5, уже показали, насколько SSD-накопители могут уменьшить размер установки, особенно в сочетании со сжатием, что подводит нас к следующему преимуществу.
Твердотельные накопители можно ускорить
Если вы думали, что твердотельные накопители уже достаточно быстрые, вы могли бы ускорить эти диски, чтобы добиться действительно высоких скоростных показателей. И все это благодаря технологии сжатия. Данные хранятся на SSD в сильно сжатом виде. Когда информация запрашивается, она распаковывается в режиме реального времени, что эффективно увеличивает скорость передачи необработанных данных на SSD.
Единственная загвоздка в том, что для распаковки необходим мощный процессор, но твердотельные накопители в настоящее время не оснащены таким процессором. Оказывается, графические процессоры превосходно справляются с такой работой, поэтому с помощью программных API (интерфейса прикладного программирования), таких как DirectStorage и RTX IO от Nvidia от Microsoft, последние поколения графических процессоров могут ускорять работу. не только 3D-графика, но и производительность SSD.
Недостатки твердотельных накопителей
У твердотельных накопителей много преимуществ, но технология не идеальна. Некоторые аспекты владения SSD не так приятны, как хотелось бы.
Твердотельные накопители стоят дороже
Жесткие диски сильно подешевели, а объем данных, которые они могут хранить, увеличился до безумного уровня плотности. В результате гигабайт данных на жестком диске стоит намного дешевле, чем даже самая дешевая флэш-память NAND.
За последние несколько лет цены на твердотельные накопители резко упали, но люди, как правило, по-прежнему используют относительно небольшие твердотельные накопители емкостью от 256 до 512 ГБ. Твердотельные накопители зарезервированы для приложений и операционных систем, а на жестких дисках по-прежнему можно хранить мультимедийные файлы или приложения, которым не нужна скорость SSD.
Хорошей новостью является то, что, как и во всех полупроводниковых технологиях, плотность транзисторов и производственные процессы, вероятно, будут демонстрировать экспоненциальную тенденцию, ведущую к снижению стоимости и увеличению занимаемого пространства. На данный момент большинство бюджетов предусматривают сочетание SSD и HDD.
Твердотельные накопители могут изнашиваться
Хотя твердотельные накопители очень долговечны и могут выдерживать более серьезные нагрузки, чем жесткие диски, а также имеют более длительный срок эксплуатации, они подвержены износу. Износ SSD происходит потому, что запись в ячейки памяти SSD является разрушительной. Каждый раз, когда бит записывается в ячейку памяти SSD, она лишь немного теряет способность удерживать заряд..
Со временем повторяющиеся записи в ячейку делают ее неработоспособной. Твердотельные накопители SLC могут обрабатывать большинство повторяющихся операций записи перед тем, как «поджарить» данную ячейку, но ячейки MLC, TLC и QLC более уязвимы (именно в этом порядке). Первые потребительские твердотельные накопители могли скоро выйти из строя, но сегодня в накопителях используются такие стратегии, как выравнивание износа и избыточное выделение ресурсов, чтобы продлить срок службы SSD при записи.
Износ твердотельного накопителя — сложная тема, поэтому подробное обсуждение можно найти в разделе Все, что вам нужно знать об износе SSD.
Твердотельные накопители могут быстро портиться
Все формы хранения данных в конечном итоге подвергаются битовому разрушению.Это происходит, когда носитель данных ухудшается настолько, что больше не может хранить данные в читаемой форме.
Различные носители портятся по разным причинам, но жесткие диски могут храниться десятилетиями, не создавая проблем с битами. С другой стороны, твердотельные накопители потенциально могут потерять свои данные уже через несколько лет хранения. Происходит это из-за деградации изолирующего слоя, удерживающего заряд в каждой ячейке памяти. Если сумма утекла, ячейка пуста и не содержит данных!
Кажется, что гниение данных происходит быстрее, если твердотельные накопители хранятся в слишком жарком помещении, но в любом случае они, вероятно, не лучший выбор для хранения данных где-нибудь в ящике.
Восстановление данных SSD практически невозможно
Существует сложная индустрия, основанная на искусстве восстановления данных с механических жестких дисков. Если у вас достаточно денег, вы можете восстановить данные даже с разбитых дисков, поскольку специалист буквально восстанавливает диск по частям.
На более обыденном уровне вы можете восстановить данные, которые были случайно удалены, поскольку жесткие диски не удаляют физические данные, когда вы удаляете их в Windows или другой операционной системе. Вместо этого эта область диска просто помечается для перезаписи. Пока перезапись еще не произошла, ее можно восстановить с помощью специального программного обеспечения.
С SSD практически невозможно что-либо восстановить, если диск поврежден или файлы удалены. Если HDD поврежден произошел из-за скачка напряжения, вы все равно можете восстановить его с помощью новой электроники привода, но, поскольку твердотельный накопитель полностью электрический, вся память может сгореть..
Не помогает и то, что твердотельные накопители имеют сложные контроллеры, которые делают с операционными системами физических данных множество вещей, о которых они не знают. Например, команда TRIM, используемая твердотельными накопителями SATA, упреждающе удаляет ячейки памяти, помеченные для удаления, чтобы ускорить процесс записи новых данных. Так что трюк с восстановлением на них не сработает!
Будущее за твердотельным устройством
Хотя твердотельные накопители не идеальны, они представляют собой такой скачок в производительности накопителей, что их окончательное доминирование на рынке накопителей кажется неизбежным. Мы ожидаем, что со временем даже твердотельные накопители SLC снизятся в цене, в то время как менее долговечные типы SSD станут еще более разумными, когда дело доходит до ограничения износа.
На заре технологии жестких дисков тоже было немало проблем, но у нас есть ощущение, что любые проблемы, которые все еще есть у твердотельных накопителей, будут решены в рекордно короткие сроки.
.