твердотельные накопители (SSD)

В этом руководстве мы рассмотрим самые новые типы запоминающих устройств, сравним их с другими формами памяти, изучим, как они работают, рассмотрим доступные типы, разберем элементы их работы и обслуживания, которые вы должны знать.

Вот что вы найдете в этом руководстве.

  1. Введение в твердотельные накопители

  2. Краткая история

ПЗУ | Жесткие диски / гибридные диски | Флеш-память | Современные твердотельные накопители

  1. Анатомия SSD

Ячейки | Контроллер

  1. Другие характеристики SSD, которые вы должны знать

Тип памяти | Физический интерфейс | Логический интерфейс | Форм-факторы

  1. Как ухаживать за своим накопителем

(Де) фрагментация | Команда TRIM | Поддержка операционной системы

  1. SSD - одно из лучших обновлений

Давайте погрузимся в то, что мы должны о них знать?

 

1. Введение в твердотельные накопители

Компьютерные устройства хранения значительно улучшились со времен перфокарт (и их заклятых врагов, летающих насекомых). Компьютерная индустрия пережила движение назад и вперед через кассетные ленты и замену флоппи-дисков на компакт-диски с одноразовой записью. Мы теперь наслаждаемся удобством больших жестких дисков и перезаписываемых оптических носителей.

Эволюция твердотельных накопителей

Но на протяжении всего этого времени одна форма хранения - оперативная память - всегда была быстрее. Ее преимуществом является то, что она получает доступ к своим данным в электронном виде, а не механически. Но она имеет один существенный недостаток: она теряет все данные, когда отключается питание. Она также стоит дороже в пересчете по каждому байту. Но цель отрасли уже давно заключается в том, чтобы постоянное хранилище было больше похоже на ОЗУ с точки зрения скорости и надежности.

Все, что нужно знать об оперативной памяти и управление памятью
ОЗУ (RAM) или оперативное запоминающее устройство, по сути является частью оборудования, которое хранит кратковременную память вашего компьютера во время его работы.
Подробнее

Изменения во флэш-памяти в конечном итоге привели к созданию твердотельных дисков (SSD), которые имеют (относительно) большую емкость и постоянство жестких дисков наряду с долговечностью и (некоторой) скоростью флэш-памяти. Давайте посмотрим, как появились SSD, как с точки зрения технологии, так и с точки зрения пользователя.

 

2. Краткая история

В то время как жесткие диски, очевидно, являются одним из родителей современных твердотельных накопителей, они также обязаны своим происхождением не механическому хранилищу.

 

2.1 ПЗУ-чипы

микросхемы ПЗУ

В настоящее время мы часто слышим о ПЗУ или ROM (Read Only Memory) в контексте их работы на мобильных устройствах. Перед тем, как стали доступны обычные механические жесткие диски, компьютеры загружались с кода, хранящегося в чипе ROM на материнской плате. Как следует из названия, ваш компьютер мог читать только с этого носителя. Он делал это, чтобы загрузить начальную «командную строку», из которой пользователи запускали программы. По мере увеличения емкости этих чипов они могли поддерживать целую рабочую среду, например Amiga Workbench. Они не совсем такие же, как SSD, поскольку они не были доступны для записи, но они представляли собой идею запуска ОС с не механических носителей. Даже современные EEPROM, которые вы можете перезаписывать, все еще отличаются, поскольку вы не можете изменить их содержимое во время выполнения.

 

2.2 Жесткие диски / гибридные диски

Очевидно, что жесткие диски способствовали разработке твердотельных накопителей, поскольку большинство из них по-прежнему используют те же или аналогичные жесткие диски. Это было сделано для очень простого перехода с жестких дисков на SSD, когда типы соединений, такие как SATA (подробнее об этом позже), упрощают замену старого механического привода на что-то более быстрое. Этот путь был сделан более плавным благодаря гибридным дискам, таким как Apple Fusion Drive, что добавило некоторое быстрое твердотельное хранилище на обычные жесткие диски.

Жесткие диски / гибридные диски

Когда на рынке появилась флэш-память, вначале она была очень дорогой. Это означало, что она не только дорого стоила, но, скорее всего, предлагала очень мало места. Производители взяли один из двух способов объединить две технологии, для большего места на жестком диске в более быстрое хранилище SSD:

  • Один подход будет использовать твердотельное состояние и дополнить его пространством жесткого диска. Это может быть пользователь, покупающий как SSD, так и жесткий диск, и устанавливая программы или сохраняя файлы, где это имеет наибольший смысл (например, приложения с высокой потребностью, такие как видео-редакторы на более эффективном SSD, и менее критические, такие как текстовый редактор на HDD). Были также устройства, которые объединяли оба типа хранилищ в одном физическом устройстве, то есть 2,5-дюймовый диск, в котором размещались как механические HDD, так и твердотельные накопители. Однако они все еще появлялись на компьютере и ОС, как если бы они были двумя отдельными дисками.
  • Альтернативой, были более интегрированные примеры выше, где механическое и твердотельное хранилище находилось на одном устройстве, но оно выглядело как одно запоминающее устройство. Эти устройства кэшировали часто используемые данные в SSD-части диска, поэтому их можно было быстрее обслуживать. Либо аппаратное обеспечение контроллера, либо ОС, либо оба будут управлять тем, какие данные идут туда. Это давало вам скорость SSD и емкость жесткого диска в целом.

 

2.3 Флэш-память

Эволюция Флэш-памяти

Многие сменные носители в 1980-х годах до начала 2000-х годов не сильно отличались от жестких дисков. К примерам относятся записываемые компакт-диски (которые используют оптическую запись вместо магнитной) для таких устройств, как «ZIP-накопитель» (гибкий диск, который приближается к емкости жесткого диска). Они все задействовали какие-то механические основы, как в драйвере, так и в среде, или и то, и другое. Поскольку портативные компьютеры действительно начали захватывать рынок, наряду с серьезной цифровой фотографией, появились более устойчивые формы средств массовой информации. Карты Compact Flash (CF) были одним из первых, и к ним присоединились Sony Memory Sticks, карты MultiMedia (MMC), Smart Media, eXtreme Digital (xD) и семейство Secure Digital (SD).

Это были некоторые из первых устройств флеш-памяти, которые легко доступны для потребителей, которые были экономически эффективны и полезны. Однако они зависели от устройства, поэтому, «флешки» которые начали появляться в начале 2000-х годов, были значительным обновлением. Они были такими же портативными, достаточно быстрыми, чтобы большинство пользователей не заметили разницы и, самое главное, использовали вездесущий USB-порт. В то время как они не могли сравниться с другими картами по стоимости на МБ, они представляли собой дешевый и эффективный способ переноса ваших документов.

 

2.4 Современные твердотельные накопители

Несколько факторов сыграло на внедрение современных SSD-дисков и упадок жестких дисков или гибридных приводов. Во-первых, революция смартфонов подняла спрос людей на мобильность. В конце концов, если бы вы могли просматривать полную веб-страницу на своем телефоне, почему бы вам не получить легкий, удобный ноутбук, чтобы пойти с ним? Но память, используемая в этих портативных машинах, также имела эффект. Если ваш телефон может хранить данные на гигабайтах без тяжелых, громких механических приводов или когда-либо повышающихся температур, почему ноутбук не должен это делать?

Сегодняшние SSD имеют ряд отличительных преимуществ по сравнению с жесткими дисками:

  • В них нет движущихся механических частей при чтении/записи данных на диск, вы просто делаете это в электронном виде, что очень быстро по сравнению с физическим движением диска.
  • Это также означает, что эти приводы намного более устойчивы к ударам и падениям, наносящим им ущерб.
  • Отсутствие движущихся частей устраняет необходимость в электропитании этих деталей, что позволяет сократить время автономной работы.
  • Снижение энергопотребления связано с уменьшением тепла, что помогает вашей машине и продлевает срок службы вашей материнской платы.

Но как они передают эти преимущества? Как работают SSD? В следующем разделе мы рассмотрим внутреннюю работу накопителя SSD и различия между различными моделями.

 

3. Анатомия SSD

Анатомия SSD

Если вы откроете SSD-накопитель, вы не увидите блестящей пластины и рычага привода, которые вы видели в механических жестких дисках. Вместо этого под крышкой лежит монтажная плата с некоторым количеством припаянных микросхем. В этих чипах есть много частей, но две самые главные, которые являются ключом к пониманию того, как SSD работают, являются ячейками и контроллером. Давайте посмотрим на них подробно.

 

3.1. Ячейки

Основной единицей хранения в SSD является ячейка. Это одно (из многих) отсеков на микросхеме памяти, которая содержит транзистор, способный удерживать электрический заряд. Его способность удерживать этот заряд после отключения питания отличает его от ОЗУ вашего компьютера. Но в остальном они похожи.

Ячейка твердотельного накопителя

Каждая из ячеек содержит небольшой электрический заряд, который представляет данные, и когда все биты объединяются, они составляют ваши файлы. Однако, как и жесткие диски, эти отдельные биты могут жить в разных ячейках на диске (т. е. Не обязательно все смежные ячейки). То же самое происходит и с жесткими дисками. Но главное отличие заключается в том, что механическая головка не должна физически обходить диск, чтобы собирать все эти биты для доступа к файлу. Контроллер SSD может быстро собирать данные с помощью электрических сигналов, поэтому скорость чтения (и скорость записи в этом случае) намного выше, чем у жестких дисков.

На приведенном ниже рисунке показано, как ячейка SSD может хранить простой текстовый файл (содержащий букву «m»).

ячейка SSD

 

3.2 Контроллер

Хотя ячейки фактически хранят данные, контроллер интерпретирует наличие или отсутствие электрического заряда в виде нуля или единицы. Он также отвечает за обмен этими данными с операционной системой. Контроллер фактически содержит множество функций, как показано на рисунке ниже.

Работа контроллера твердотельного накопителя

Этого достаточно для большинства целей (если только ваша цель не стать инженером-электриком), чтобы знать, что контроллер находится между операционной системой и ячейками памяти, и перемещает данные между ними. Вышеприведенное является упрощенным представлением о том, как данные попадают с места на диске в ваше любимое приложение. Существует много дополнительных факторов (например, использование страниц и блоков.), которые способствуют безопасному и эффективному хранению ваших видео. Контроллер производителя - это то, где они могут добавить свою ценность, предоставляя уникальные функции или лучшую версию тех, что показаны выше.

Но тип памяти и контроллер не являются единственными факторами успеха SSD. В следующем разделе мы рассмотрим некоторые из этих других функций и спецификаций твердотельных накопителей.

 

4. Другие характеристики SSD, которые вы должны знать

При рассмотрении SSD желательно знать функции и какую ценность они предоставляют. В следующих разделах объясняются некоторые основные атрибуты SSD, некоторые доступные опции и затрагиваются некоторые из их плюсов и минусов.

 

4.1 Тип памяти

  DRAM NAND/SLC NAND/MLC NAND/TLC
Плюсы формата памяти Очень быстрая скорость Надежная, долговечная Два бита в клетке, дешевле в пересчете на байт Три бита в клетке, самая высокая емкость хранения
Минусы формата памяти Дорогая, теряет данные при отключении питания Низкая емкость Ниже продолжительность работы Нет широкой поддержки данного формата


В приведенных выше примерах тип памяти, который мы описывали, это «флэш-память», в частности, NAND Flash. NAND Flash - это тот же самый тип памяти, который используется на съемных носителях, таких как SD-карты, а также память на вашем телефоне или планшете. Фактически, многие из этих мобильных устройств используют твердотельные диски определенного форм-фактора, о которых мы немного поговорим. Альтернативой этому являются твердотельные накопители на базе DRAM, которые используют ту же технологию, что и в большинстве модулей RAM. Хотя он имеет более высокую производительность, он очень дорогой, а также требует решения проблемы DRAM по поводу потери содержимого при отключении питания. (Это достигается за счет поддержания мощности при выключенном питании машины и / или с аккумуляторами.) Основным использованием DRAM являются серверы, и особенно те, которые обслуживают высокопроизводительные приложения. SSD, найденные в устройствах, с которыми вы, вероятно, столкнетесь, относятся к типу NAND.

NAND Flash SSD

NAND Flash SSD используют один из двух основных типов форматов ячеек. Первая, одноуровневая ячейка (SLC) может хранить только один уровень электрического заряда. Поэтому, если ячейка заряжена, она приравнивается к значению единицы для бит, и, если ее не заряжать, она равна нулю. Приводы Multi-Level Cell (MLC) могут хранить два бита, поддерживая более одного заряженного уровня. Третий тип, Tri-Level Cell (TLC) может хранить три бита, хотя он не так распространен, как SLC и MLC. Поскольку SLC поддерживает только один уровень поддержки, он более прочен. Вы можете эффективно удвоить свое хранилище с таким же количеством ячеек с MLC, так что это дешевле. Вы можете записывать в эти ячейки в два раза больше информации и в два раза быстрее.

 

4.2 Физический интерфейс

Еще один фактор, который следует учитывать при выборе SSD, - это то, как он подключен к системе. В случае с мобильными устройствами у вас не будет выбора в этом вопросе. У изготовителя будет один из этих физических интерфейсов как часть их дизайна для ноутбука, планшета или телефона. Но вы все равно должны знать об этом, если вы взвешиваете между устройствами, использующими разные интерфейсы. Если вы собираете свою собственную машину или обновляете диск на существующей машине можно получить одно или несколько из следующих доступных соединений. Основываясь на том, какие кабели или слоты у вас есть, вы можете купить SSD, который наилучшим образом соответствует вашим потребностям.

Современное оборудование предоставляет два основных интерфейса для хранения, в том числе SSD:

  • Serial ATA (SATA), который обеспечивает сравнительно меньшую пропускную способность 6 Гбит/с. Но большинство материнских плат будут поставляться с двумя или более из них, что означает, что у вас есть определенная гибкость в разработке вашей системы. Например, вы можете разместить свою ОС и программы на SSD, сохраняя при этом более крупный и дешевый жесткий диск для хранения мультимедиа. Они также горячего подключения, поэтому, если вам нужно быстрое решение для быстрого резервного копирования, внешний диск SATA - отличный выбор.
  • PCI Express (PCIe), который обеспечивает чрезвычайно высокую пропускную способность 31,5 Гбит/с. Однако форм-фактор PCIe является слотом на материнской плате. Вам также может потребоваться отказаться от выделенной видеокарты, так как они также используют слот PCIe. Подтипы карт PCIe относятся к тому, сколько «полос» присутствует, где полоса - это пара путей, одна для отправки и одна для приема. Обозначения «x1», «x2», «x4», «x8» и «x16» указывают, сколько из этих полос находится на карте. На рисунке ниже показана материнская плата с четырьмя слотами PCIe: x4, x16, x1 и x16 сверху вниз. (Последний слот - это «устаревший» слот PCI.) Больше полос означает больше одновременных передач, но при более высокой стоимости и мощности, когда все эти полосы заполнены. Существует также «Mini PCIe» для небольших устройств.

Слоты на материнской плате

Два других интерфейса, совместимых с SSD, - это Fibre Channel и Serial Attached SCSI (SAS). Но это серверные технологии, которые (например) соединяют гигантские пулы накопителей вместе, чтобы отображаться как один ресурс. Если вы не администратор сервера, вы вряд ли столкнетесь с этим.

 

4.3 Логический интерфейс

  ATAPI AHCI NVEm
Логические интерфейсы Старый формат, не используется в современных материнских платах Новый формат, но все же ориентирован на жесткие диски, создает узкие места для твердотельных накопителей Формат предназначен для твердотельных накопителей, особенно полезен для моделей основанных на PCLe


Интерфейсы, такие как SATA и PCIe, являются физическими интерфейсами. Логические интерфейсы определяют стандартный набор функций, которые устройства хранения предлагают операционной системе. Они не указывают, как производитель должен фактически выполнять эти функции, только чтобы они были доступны для устройства, чтобы быть совместимым.

Вот три общих логических интерфейса, которые используются с потребительскими SSD-системами:

  • ATAPI: гораздо более старый стандарт разработан для жестких дисков и других HDD-подобных носителей.
  • AHCI: более новый стандарт для устройств, использующих шину SATA. Хотя это и дает некоторую выгоду для SSD, он был разработан для подключения носителей на основе пластин. Это делает некоторые вещи менее эффективными для SSD, создавая узкие места.
  • NVMe: стандарт, специально предназначенный для SSD. Он использует преимущества таких свойств, как несколько командных очередей. Это означает, что контроллер может обрабатывать несколько команд чтения / записи вместо одной (в случае с AHCI).

Поэтому, если вы хотите использовать SSD на своем устройстве, оно также должно поддерживать NVMe для достижения максимальной производительности.

7 Советов, о том как получить максимальную отдачу от ваших твердотельных накопителей и избежать их преждевременного износа
Без надлежащего обслуживания быстрый SSD со временем начнет замедляться и выдавать ошибки вплоть до полного отказа работы. Вот мои лучшие 7 советов для получения максимальной отдачи от ваших SSD.
Подробнее

 

4.4 Форм-факторы

Последним рассмотрением при выборе SSD является форм-фактор. Как с интерфейсами, какое устройство вы покупаете, окажет большое влияние на это решение. Опять же, если вы смотрите на планшет или карманное устройство, вы застряли в том, что дает вам производитель. Ноутбуки могут быть или не быть одинаковыми. Некоторые модели дают вам легкий доступ к жесткому диску чтобы вы могли его заменить, в этом случае вам лучше знать, какой размер диска вам понадобится. У настольных компьютеров может быть большой выбор.

Модели PCIe поставляются как «карты», а не «диски», и выглядят не так, как другие карты, которые вы можете установить. У них есть разъем внизу, много микросхем и диодов и прочее на плате.

SSD модели PCIe

Наиболее узнаваемыми из них будут те, которые используют те же формы, что и жесткие диски. Эти модели SATA имеют 1,8 "(второй сверху), а 2,5" (третий сверху) размеры легко доступны как для мобильных, так и для настольных компьютеров. Есть также 3,5-дюймовые диски (внизу) для настольных компьютеров.

SSD форм-фактора mSATA

Верхний диск в приведенном выше изображении использует форм-фактор mSATA. Это пример устройств, предназначенных для более специализированных случаев использования, а именно:

SSD форм-фактора mSATA

  • mSATA - это карточный формат, распространенный в таких устройствах, как планшеты и чрезвычайно тонкие ноутбуки. Новым форм-фактором M.2 является эволюция стандарта mSATA и использование большей части «лезвийной» конфигурации для максимального использования пространства. На приведенном выше изображении отображаются карты mSATA (слева) и M.2 (справа).
  • Приводы на основе модулей устанавливают небольшой накопитель SSD в корпус, предназначенный для непосредственного подключения к материнской плате (показано на рисунке ниже). Хотя они в целом доступны, они нацелены на специализированные ПК, такие как те, которые используются в промышленных цехах.

небольшой SSD-накопитель

Теперь вы понимаете различия между различными SSD на рынке. И, возможно, вы даже купили один из них или устройство, которое его содержит. Вам что-то нужно делать по-другому? Какие-либо специальные процессы для правильной работы? Давайте это рассмотрим.

 

5. Как ухаживать за своим накопителем

По большому счету, все, что относится к обычным жестким дискам, также относится к твердотельным накопителям с точки зрения обеспечения их работоспособности. Старайтесь не бросать их. Не подвергайте воздействию влаги. Не позволяйте им перегреваться.

Но есть некоторые особые соображения, о которых нужно знать.

 

(Де) фрагментация

Как мы показали в вышеприведенных разделах, физическая конструкция твердотельных накопителей сильно отличается от прежнего дискового хранилища. В результате некоторые вещи, необходимые для поддержки жесткого диска, не применяются. Наиболее очевидной из них является дефрагментация. Это процесс, который пытается перемещать блоки, которые хранят данные для ваших файлов ближе друг к другу. Чем ближе друг к другу блоки для файла, тем меньше механическая рука должна передвигаться, чтобы прочитать их и снова собрать файл в памяти.

У SSD, конечно, нет этой механической руки. Таким образом, с точки зрения производительности, независимо от того, будет ли после дефрагментации вашего SSD обеспечена какая-либо выгода, остается вопросом. Но помните также, что ячейки SSD могут выдерживать только определенное количество записей, прежде чем они придут в негодность. Вот почему некоторые из профессионалов, рекомендуют не использовать дефрагментацию SSD. Это разумно: если он обеспечивает лишь сомнительную выгоду, но потенциально может повредить диск, зачем рисковать?

 

Команда TRIM

Вам следует сделать так, чтобы вы регулярно использовали команду TRIM. Подобно жестким дискам, даже если вы удалили файл из своей ОС, он все еще может существовать на диске. Общепринято, что значение (заряд) в этой ячейке останется до тех пор, пока не появится другой файл, которому требуется пространство. Но один уникальный аспект SSD заключается в том, что они должны быть пустыми до того, как они будут написаны; другими словами, «переписать» на самом деле является «стиранием-записью». Если операция сохранения файла должна сначала стереть все эти ячейки перед их записью. Это требует времени и приводит к более медленному восприятию производительности привода.

Команда TRIM идентифицирует все эти «неиспользуемые» ячейки и стирает их. В этом смысле это похоже на версию SSD «сбор мусора» (избавление от содержимого неиспользуемых ячеек), безопасное удаление. Вы (или ваша ОС) должны периодически запускать TRIM, чтобы ускорить работу с дисками.

 

Поддержка операционной системы

  Windows MacOS Linux Android IOS
ОС поддерживающие команду TRIM Поддерживаются только диски с файловой системой NTFS Поддерживаются только SSD компании Apple (SSD других производителей требуют установки стороннего программного обеспечения) Поддерживают файловые системы в том числе: ext4, XFS, JFS, Btrfs и F2FS  Поддерживает только android 4.3 поддерживается напрямую ОС 

Поскольку SSD подключаются к компьютеру по стандартным физическим интерфейсам, современные ОС распознают их с самого начала. Диски SATA должны отображаться точно также как другой жесткий диск. С другой стороны, диски PCIe могут отображаться на основе их логического интерфейса, как в Linux. Как показано на рисунке ниже, на распечатке диска XPS 13 четко отображаются разделы, основанные на NVMe. (После этого они отображаются как / dev / nvme с номерами разделов).

Самое главное, поддерживает ли он команду TRIM, и, к счастью, современные ОС делают это. Поддержка TRIM на самом деле является функцией файловой системы, но поддержка файловой системы зависит от ОС и ее ядра. В таблице в начале этого раздела суммируются ОС и какие файловые системы, совместимые с этими ОС, поддерживают TRIM.

 Если у вас есть сомнения по поводу работоспособности вашего SSD загляните в мою статью: 5 признаков того, что ваш SSD находится в аварийном состоянии

 

SSD - одно из лучших обновлений для вашего ноутбука, настольного компьютера или сервера

Надеюсь, это руководство дало вам хорошее представление о многих преимуществах твердотельных накопителей по сравнению с жесткими дисками. SSD одно из лучших обновлений, которое вы можете сделать. В частности, некоторые причины, которые вы, возможно, захотите рассмотреть, включают:

  • Если у вас есть старый настольный компьютер, подумайте над добавлением SSD. Установка ОС и программ на этом диске принесет выгоду вроде гораздо более быстрой загрузки и производительности программ. И не волнуйтесь, вы все равно можете использовать свой старый жесткий диск для хранения всех ваших фотографий, музыки и документов.
  • Вышеизложенное также относится к старым ноутбукам. Вы также увидите увеличение времени автономной работы, и ваши данные будут лучше защищены, если вы уроните устройство. Просто убедитесь, что вы можете получить доступ к отсеку для ноутбука, и что вы покупаете SSD с правильным форм-фактором и интерфейсом.
  • Если вы запустите сервер, как дома, так и небольшой компании, SSD будет лучше обслуживать ваших пользователей. В частности, несколько командных очередей дисков на основе PCIe могут обслуживать параллельный запрос для обмена файлами и / или доступа к приложениям.

Вы используете SSD, все время? Или вы используете SSD для ОС, а жесткий диск по-прежнему выполняет обязанности «холодного хранения»? Раскажите об этом в комментариях ниже!


Читайте также

 

 

 

Добавить комментарий