Co to jest dysk SSD?

Dysk SSD lub dysk półprzewodnikowy to rodzaj urządzenia pamięci masowej stosowanego w komputerach. Ten nieulotny nośnik pamięci przechowuje trwałe dane w półprzewodnikowej pamięci flash . Dyski SSD zastępują tradycyjne dyski twarde (HDD) w komputerach i pełnią te same podstawowe funkcje, co dyski twarde. Ale dyski SSD są znacznie szybsze w porównaniu. Dzięki dyskowi SSD system operacyjny urządzenia będzie uruchamiał się szybciej, programy będą ładowały się szybciej, a pliki będą mogły być zapisywane szybciej zatem co to jest dysk SSD to objaśni ten artykuł.

Tradycyjny dysk twardy składa się z obracającego się dysku z głowicą odczytu/zapisu na mechanicznym ramieniu zwanym siłownikiem . Dysk twardy odczytuje i zapisuje dane magnetycznie. Właściwości magnetyczne mogą jednak prowadzić do uszkodzeń mechanicznych.

Dla porównania, dysk SSD nie ma ruchomych części, które mogłyby pęknąć lub obrócić się w górę lub w dół. Dwa kluczowe elementy dysku SSD to kontroler flash i układy pamięci flash NAND. Ta konfiguracja jest zoptymalizowana pod kątem zapewnienia wysokiej wydajności odczytu/zapisu w przypadku żądań danych sekwencyjnych i losowych.

Dyski SSD są używane wszędzie tam, gdzie można zastosować dyski twarde. W produktach konsumenckich stosuje się je na przykład w komputerach osobistych (PC), laptopach , grach komputerowych, aparatach cyfrowych, cyfrowych odtwarzaczach muzyki, smartfonach, tabletach i pendrive’ach. Są one również dołączone do kart graficznych. Są jednak droższe od tradycyjnych dysków twardych.

Obraz dysku SSD Samsung.

Firmy o szybko rosnącym zapotrzebowaniu na większe wejścia/wyjścia (I/O) przyczyniły się do rozwoju i przyjęcia dysków SSD. Ponieważ dyski SSD oferują mniejsze opóźnienia niż dyski twarde, mogą skutecznie obsługiwać zarówno duże obciążenia związane z odczytem, jak i losowe obciążenia. Niższe opóźnienia wynikają ze zdolności dysku flash SSD do bezpośredniego i natychmiastowego odczytu danych z przechowywanych danych.

To zdjęcie przedstawia dysk SSD Samsung o pojemności 2 TB.

Wysokowydajne serwery, laptopy, komputery stacjonarne lub dowolne aplikacje wymagające dostarczania informacji w czasie rzeczywistym mogą skorzystać z technologii dysków półprzewodnikowych. Te cechy sprawiają, że dyski SSD dla przedsiębiorstw nadają się do odciążania odczytów z baz danych obciążonych dużą liczbą transakcji. Mogą również pomóc w łagodzeniu burz rozruchowych dzięki infrastrukturze wirtualnych pulpitów lub wewnątrz macierzy pamięci masowej do lokalnego przechowywania często używanych danych przy użyciu chmury hybrydowej.

Jak działają dyski SSD?

Dysk SSD odczytuje i zapisuje dane w połączonych ze sobą układach pamięci flash wykonanych z krzemu . Producenci budują dyski SSD, układając chipy w siatkę, aby uzyskać różne gęstości.

Dyski SSD odczytują i zapisują dane w podstawowym zestawie połączonych ze sobą układów pamięci flash. Układy te wykorzystują tranzystory z pływającą bramką ( FGT ) do utrzymywania ładunku elektrycznego, co umożliwia dyskowi SSD przechowywanie danych nawet wtedy, gdy nie jest podłączony do źródła zasilania. Każdy FGT zawiera pojedynczy bit danych, oznaczony albo jako 1 dla naładowanego ogniwa, albo jako 0, jeśli ogniwo nie ma ładunku elektrycznego.

Każdy blok danych jest dostępny ze stałą szybkością. Jednak dyski SSD mogą zapisywać tylko w pustych blokach. I chociaż dyski SSD mają narzędzia, które pozwalają obejść ten problem, wydajność może z czasem spaść.

Dyski SSD wykorzystują trzy główne typy pamięci: komórki jedno-, wielo- i trzypoziomowe. Komórki jednopoziomowe mogą przechowywać jeden bit danych na raz – jedynkę lub zero. Ogniwa jednopoziomowe ( SLC ) są najdroższą formą dysków SSD, ale są także najszybsze i najtrwalsze. Komórki wielopoziomowe ( MLC ) mogą przechowywać dwa bity danych na komórkę i mieć większą ilość miejsca do przechowywania w tej samej ilości przestrzeni fizycznej co SLC. Jednak procesory MLC mają niższą prędkość zapisu. Komórki trójpoziomowe ( TLC ) mogą przechowywać trzy bity danych w komórce. Chociaż pamięci TLC są tańsze, mają także mniejszą prędkość zapisu i są mniej trwałe niż inne typy pamięci. Dyski SSD oparte na technologii TLC zapewniają większą pojemność pamięci flash i są tańsze niż dyski MLC lub SLC, choć charakteryzują się większym prawdopodobieństwem uszkodzenia bitówze względu na osiem stanów w komórce.

Jakie są główne cechy dysków SSD?

Konstrukcja dysku SSD charakteryzuje się kilkoma cechami. Ponieważ dysk SSD nie ma ruchomych części, nie podlega takim samym awariom mechanicznym, jakie mogą wystąpić w przypadku dysków twardych. Dyski SSD są także cichsze i zużywają mniej energii. A ponieważ dyski SSD ważą mniej niż dyski twarde, dobrze nadają się do laptopów i przenośnych urządzeń komputerowych.

Ponadto oprogramowanie kontrolera SSD obejmuje analizę predykcyjną , która może ostrzec użytkownika z wyprzedzeniem o potencjalnej awarii dysku. Ponieważ pamięć flash jest plastyczna, dostawcy macierzy all-flash mogą manipulować użyteczną pojemnością pamięci, stosując techniki redukcji danych.

Jakie są zalety dysków SSD?

Zalety SSD w porównaniu z dyskami twardymi obejmują:

Większe prędkości odczytu/zapisu. Dyski SSD umożliwiają szybki dostęp do dużych plików.
Krótszy czas uruchamiania i lepsza wydajność. Ponieważ dysk nie musi się kręcić tak jak dysk twardy, jest bardziej responsywny i zapewnia lepszą wydajność ładowania.
Trwałość. Dyski SSD są bardziej odporne na wstrząsy i lepiej radzą sobie z ciepłem niż dyski twarde, ponieważ nie mają ruchomych części.
Pobór energii. Dyski SSD wymagają mniej energii do działania niż dyski twarde ze względu na brak ruchomych części.
Głośność. Dyski SSD wytwarzają mniej słyszalny hałas, ponieważ nie zawierają ruchomych ani wirujących części.
Rozmiar. Dyski SSD są dostępne w różnych obudowach, natomiast rozmiary dysków twardych są ograniczone.

Jakie są wady dysków SSD?

Wady rozwiązań z dyskami SSD obejmują:

Koszt. Dyski SSD są droższe od tradycyjnych dysków HDD.
Długość życia. Na niektórych dyskach SSD, na przykład wykorzystujących układy pamięci flash NAND, można zapisywać tylko określoną liczbę razy, czyli zazwyczaj mniej niż w przypadku dysków twardych.
Wydajność. Ograniczenia liczby cykli zapisu powodują z czasem spadek wydajności dysków SSD.
Opcje przechowywania. Ze względu na cenę dyski SSD są zwykle sprzedawane w mniejszych rozmiarach.
Odzyskiwanie danych . Ten czasochłonny proces może być kosztowny, ponieważ dane na uszkodzonych chipach mogą nie zostać odzyskane.

Jakie są rodzaje pamięci nieulotnej SSD?

Obwody NAND i NOR różnią się typem wykorzystywanej bramki logicznej. Urządzenia NAND wykorzystują ośmiopinowy szeregowy dostęp do danych. Tymczasem w telefonach komórkowych powszechnie stosowana jest pamięć flash NOR, obsługująca 1-bajtowy dostęp losowy.

W porównaniu z NAND, pamięć flash NOR oferuje krótki czas odczytu, ale jest ogólnie droższą technologią pamięci. NOR zapisuje dane w dużych porcjach, co oznacza, że usuwanie i zapisywanie nowych danych zajmuje więcej czasu. Możliwości dostępu swobodnego NOR służą do wykonywania kodu, podczas gdy pamięć flash NAND jest przeznaczona do przechowywania. Większość smartfonów obsługuje oba typy pamięci flash, wykorzystując NOR do uruchamiania systemu operacyjnego i wymienne karty NAND w celu zwiększenia pojemności urządzenia.

Jakie są rodzaje dysków SSD?

Rodzaje dysków SSD obejmują:

Dyski SSD. Podstawowe dyski SSD zapewniają najniższą wydajność. Dyski SSD to urządzenia flash, które można podłączyć za pośrednictwem portu szeregowego (SATA) lub portu szeregowego SCSI (SAS), co stanowi ekonomiczny pierwszy krok w świecie półprzewodnikowych. W wielu środowiskach wystarczy wzrost wydajności w zakresie prędkości odczytu sekwencyjnego z dysku SSD SATA lub SAS.
Pamięć flash oparta na PCIe. Pamięć flash oparta na Peripheral Component Interconnect Express to kolejny krok w kierunku zwiększenia wydajności. Chociaż urządzenia te zazwyczaj oferują większą przepustowość i więcej operacji wejścia/wyjścia na sekundę, największą zaletą jest znacznie mniejsze opóźnienie. Wadą jest to, że większość tych ofert wymaga niestandardowego sterownika i ma ograniczoną wbudowaną ochronę danych.
Moduły Flash DIMM. Podwójne moduły pamięci Flash w linii zmniejszają opóźnienia, wykraczając poza karty flash PCIe, eliminując potencjalną rywalizację o magistralę PCIe. Wymagają niestandardowych sterowników, unikalnych dla pamięci flash DIMM, ze specyficznymi zmianami w systemie we/wy tylko do odczytu na płycie głównej.
Dyski SSD NVMe. Te dyski SSD korzystają ze specyfikacji interfejsu nieulotnej pamięci ekspresowej ( NVMe ). Przyspiesza to prędkość przesyłania danych między systemami klienckimi a dyskami półprzewodnikowymi za pośrednictwem magistrali PCIe. Dyski SSD NVMe zaprojektowano z myślą o wysokowydajnej pamięci nieulotnej i doskonale nadają się do zastosowań wymagających dużej mocy obliczeniowej.
NVMe-oF. Protokół NVMe over Fabrics umożliwia przesyłanie danych między komputerem hostem a docelowym urządzeniem pamięci masowej półprzewodnikowej. NVMe-oF przesyła dane metodami takimi jak Ethernet, Fibre Channel czy InfiniBand.
Hybrydowa pamięć masowa DRAM-flash. Ta dynamiczna konfiguracja kanałów pamięci o dostępie swobodnym ( DRAM ) łączy pamięć flash i serwerową pamięć DRAM. Te hybrydowe urządzenia pamięci masowej flash uwzględniają teoretyczny limit skalowania pamięci DRAM i służą do zwiększania przepustowości między oprogramowaniem użytkowym a pamięcią masową.

Współczynniki kształtu SSD

Producenci dysków SSD oferują różnorodne obudowy. Najpopularniejszym formatem jest 2,5-calowy dysk SSD, który jest dostępny w różnych wysokościach i obsługuje protokoły SAS, SATA i NVMe.

W ramach inicjatywy Solid State Storage Initiative stowarzyszenia Przemysłu Sieci Magazynowych zidentyfikowano następujące trzy główne typy dysków SSD :

Dyski SSD w tradycyjnej obudowie HDD, które pasują do tych samych gniazd SAS i SATA w serwerze.
Karty półprzewodnikowe wykorzystujące standardowe karty rozszerzeń, takie jak karty z portem szeregowym PCIe. Dysk SSD podłączony do PCIe nie wymaga adapterów sieciowej magistrali hosta do przekazywania poleceń, co przyspiesza wydajność pamięci masowej. Urządzenia te obejmują dyski SSD U.2 , które są powszechnie uważane za ostateczny zamiennik dysków stosowanych w cienkich laptopach.
Moduły półprzewodnikowe umieszczone w module DIMM lub małym module pamięci typu dual-in-line. Mogą używać standardowego interfejsu dysku twardego, takiego jak SATA. Urządzenia te nazywane są nieulotnymi kartami DIMM (NVDIMM).

W systemie komputerowym używane są dwa typy pamięci RAM: DRAM, która traci dane w przypadku utraty zasilania, oraz statyczna pamięć RAM. Moduły NVDIMM zapewniają trwałą pamięć potrzebną komputerowi do odzyskania danych. Umieszczają lampę błyskową blisko płyty głównej, ale operacje przeprowadzane są w pamięci DRAM. Komponent flash mieści się w magistrali pamięci w celu tworzenia kopii zapasowych w wysokowydajnej pamięci masowej.

Zarówno dyski SSD, jak i pamięć RAM zawierają chipy półprzewodnikowe, ale oba typy pamięci działają inaczej w systemie komputerowym.

Dwa nowsze formaty, na które warto zwrócić uwagę, to dyski SSD M.2 i U.2. Dysk SSD M.2 ma różną długość – zazwyczaj od 42 milimetrów (mm) do 110 mm – i jest mocowany bezpośrednio do płyty głównej. Komunikuje się poprzez NVMe lub SATA. Mały rozmiar złącza M.2 ogranicza powierzchnię rozpraszania ciepła, co z biegiem czasu zmniejszy jego wydajność i stabilność. W pamięci masowej korporacyjnej dyski SSD M.2 są często używane jako urządzenie rozruchowe. W urządzeniach konsumenckich, takich jak notebooki, dysk SSD M.2 zapewnia zwiększenie pojemności.

Określenie SSD U.2 oznacza 2,5-calowy dysk SSD PCIe. Te małe urządzenia były wcześniej znane jako SFF-8639. Interfejs U.2 umożliwia podłączenie szybkich dysków SSD PCIe opartych na NVMe do płytki drukowanej komputera bez konieczności wyłączania zasilania serwera i pamięci masowej.

Producenci dysków SSD

Rynek dysków SSD zdominowany jest przez kilku dużych producentów, do których należą:

Crucial
Intel
Kingston Technology
Micron Technology Inc.
Samsung
SanDisk
Seagate Technology
SK Hynix
Western Digital Corp.

Producenci ci produkują i sprzedają chipsety NAND flash dostawcom dysków półprzewodnikowych. Sprzedają również markowe dyski SSD oparte na własnych chipach flash. Czynniki, które należy wziąć pod uwagę przy zakupie dysków SSD, obejmują:

Trwałość. Każda gwarancja na dysk SSD obejmuje skończoną liczbę cykli dysku, określoną przez typ pamięci flash NAND. Dysk SSD używany wyłącznie do odczytu nie wymaga takiego samego poziomu wytrzymałości, jak dysk SSD przeznaczony do obsługi głównie zapisów.
Współczynnik kształtu. Określa to, czy zamienny dysk SSD będzie działać z istniejącą pamięcią masową oraz liczbę dysków SSD, które zmieszczą się w jednej obudowie.
Interfejs. Określa to maksymalną przepustowość i minimalne progi opóźnień, a także możliwości rozbudowy dysku SSD. Producenci kwalifikują swoje dyski SSD do NVMe, SAS i SATA.
Zużycie energii. Interfejs dysku określa również maksymalną moc dysku SSD, chociaż wiele dysków SSD dla przedsiębiorstw zaprojektowano tak, aby można je było dostrajać podczas pracy.

Historycznie rzecz biorąc, dyski SSD kosztują więcej niż konwencjonalne dyski twarde. Jednak ze względu na ulepszenia technologii produkcji i zwiększoną pojemność chipów ceny dysków SSD spadały, co umożliwiło konsumentom i klientom korporacyjnym postrzeganie dysków SSD jako realnej alternatywy dla konwencjonalnych pamięci masowych. Ceny jednak rosną z powodu niedoborów chipów i ogólnej niestabilności rynku – ostatnio w latach 2020 i 2021 z powodu problemów w łańcuchu dostaw związanych z Covid-19. Wahający się popyt na chipy flash powoduje, że ceny dysków SSD są zmienne, ale cena dysku SSD pozostaje wyższa niż dysku twardego.

SSD kontra dysk twardy

Dyski SSD są uważane za znacznie szybsze niż dyski twarde o najwyższej wydajności. Opóźnienie jest również znacznie zmniejszone, a użytkownicy zazwyczaj doświadczają znacznie krótszego czasu uruchamiania.

Na żywotność dysków SSD i HDD wpływa kilka czynników, w tym ciepło, wilgotność i wpływ metali utleniających się wewnątrz dysków. Dane na obu typach nośników z czasem ulegają pogorszeniu, przy czym dyski twarde zazwyczaj obsługują większą liczbę zapisów na dysku dziennie . Eksperci branżowi zalecają przechowywanie nieużywanych lub bezczynnych dysków SSD w niskich temperaturach, aby przedłużyć ich żywotność.

Ruchome części dysków twardych zwiększają ryzyko awarii. Aby to zrekompensować, producenci dysków twardych dodali czujniki wstrząsów, aby chronić dyski i inne komponenty wewnątrz komputerów. Ten typ czujnika wykrywa, czy maszyna grozi upadkiem i podejmuje kroki w celu wyłączenia dysku twardego i powiązanego z nim krytycznego sprzętu.

Wydajność odczytu dysku twardego może ulec pogorszeniu, gdy dane są podzielone na różne sektory na dysku. Aby naprawić dysk, stosuje się technikę zwaną defragmentacją. Dyski SSD nie przechowują danych w sposób magnetyczny, więc wydajność odczytu pozostaje stała, niezależnie od tego, gdzie dane są przechowywane na dysku.

Dyski SSD mają ustaloną oczekiwaną długość życia i skończoną liczbę cykli zapisu, zanim wydajność zacznie spadać. Aby to zrekompensować, dyski SSD wykorzystują wyrównywanie zużycia , proces wydłużający żywotność dysku SSD. Poziomowaniem zużycia zarządza zazwyczaj kontroler pamięci flash, który wykorzystuje algorytm do porządkowania danych w taki sposób, aby cykle zapisu/kasowania były równomiernie rozłożone pomiędzy wszystkimi blokami urządzenia. Inna technika, nadmierne przydzielanie zasobów SSD, może pomóc zminimalizować wpływ wzmocnienia zapisu w trybie wyrzucania elementów bezużytecznych .

SSD kontra eMMC

Wbudowana karta MultiMediaCard ( eMMC ) zapewnia wbudowaną pamięć flash w komputerze. Instaluje się go bezpośrednio na płycie głównej komputera. Architektura obejmuje pamięć flash NAND oraz kontroler zaprojektowany jako układ scalony. Pamięć EMMC zwykle znajduje się w telefonach komórkowych, tańszych laptopach i aplikacjach IoT.

Urządzenie eMMC zapewnia wydajność mniej więcej porównywalną z wydajnością dysku SSD. Różnią się jednak pojemnością, ponieważ standardowa pamięć eMMC zwykle waha się od 1 GB do 512 GB, a rozmiary dysków SSD mogą wahać się od 128 GB do wielu terabajtów. Dzięki temu karty eMMC najlepiej nadają się do obsługi plików o mniejszych rozmiarach.

W urządzeniach przenośnych pamięć eMMC służy jako podstawowa pamięć masowa lub dodatek do wymiennych kart multimedialnych SD i microSD. Chociaż jest to historyczne zastosowanie urządzeń eMMC, są one coraz częściej stosowane w czujnikach w urządzeniach podłączonych do Internetu rzeczy .

SSD kontra dysk hybrydowy

Chociaż nie jest tak powszechnie stosowany jak standardowy dysk SSD, alternatywą jest hybrydowy dysk twardy ( HHD ). Dyski HHD wypełniają lukę pomiędzy pamięcią flash a pamięcią masową z dyskiem stałym i służą do ulepszania laptopów, zarówno pod względem pojemności, jak i wydajności.

Dyski HHD (hybrydowe) mają konwencjonalną architekturę dyskową, która dodaje około 8 GB pamięci flash NAND jako bufor dla obciążeń dyskowych.

Części hybrydowego dysku twardego.

Ten schemat przedstawia elementy hybrydowego dysku twardego.
W związku z tym dysk HHD najlepiej nadaje się do komputerów z ograniczoną liczbą zastosowań. Koszt hybrydowego dysku twardego jest nieco niższy niż dysku twardego.

Historia i ewolucja nośników SSD

Najwcześniejsze dyski półprzewodnikowe były generalnie projektowane dla urządzeń konsumenckich. Zmieniło się to w 1991 roku, kiedy firma SanDisk wypuściła na rynek pierwszy komercyjny dysk SSD oparty na pamięci flash. Komercyjnie zaprojektowane dyski SSD zostały wykonane w korporacyjnej wielopoziomowej technologii komórkowej pamięci flash, która wydłużyła cykle zapisu.

Inne godne uwagi daty to:

Debiut Apple iPod w 2005 roku był pierwszym znaczącym urządzeniem opartym na pamięci flash, które szeroko penetrowało rynek konsumencki.
Toshiba wprowadziła technologię 3D V-NAND w 2007 roku. Urządzenia flash 3D zwiększają pojemność i wydajność.
Firma EMC — obecnie Dell EMC — jest uznawana za pierwszego dostawcę, który włączył dyski SSD do sprzętu pamięci masowej dla przedsiębiorstw, dodając tę technologię do swoich macierzy dyskowych Symmetrix w 2008 r. To zaowocowało stworzeniem hybrydowych macierzy flash łączących dyski flash i dyski twarde .
Toshiba wprowadziła ogniwa trójpoziomowe w 2009 roku. TLC flash to rodzaj pamięci flash NAND, w której przechowywane są trzy bity danych na komórkę.
IBM jest uważany za pierwszego dużego dostawcę pamięci masowej, który wypuścił dedykowaną platformę macierzy all-flash, zwaną FlashSystem, opartą na technologii uzyskanej dzięki przejęciu firmy Texas Memory Systems w 2012 r. Mniej więcej w tym czasie Nimbus Data, Pure Storage, Texas Memory Systems i Violin Memory rozpoczęła pionierskie wdrażanie macierzy all-flash, opierając się na pamięci masowej SSD w celu zastąpienia dysków twardych.
W 2012 roku firma EMC nabyła XtremIO i obecnie dostarcza system all-flash oparty na technologii XtremIO.