Un solid-state drive, abrégé en SSD, appelé parfois disque SSD en France ou disque électronique ou disque à semi-conducteur^[1],[a] au Canada, est un matériel informatique permettant le stockage de données sur de la mémoire flash.

Description

Le terme anglais solid-state signifie que ce matériel est constitué de mémoires à semi-conducteurs à l'état solide par opposition aux disques durs classiques, sur lesquels les données sont écrites sur un support magnétique en rotation rapide.

Caractéristiques

Un SSD est matériellement plus solide qu'un disque dur : les plateaux de ces derniers étant de plus en plus souvent en verre depuis 2003^[2], quoique encore très souvent en alliages d'aluminium, mais surtout, des chocs peuvent égratigner la surface du disque. Cette spécificité donne aux SSD une résistance aux chocs et aux vibrations bien plus importante que celle des disques mécaniques.

Les SSD surclassent les disques durs classiques au niveau des performances (débit, latence inexistante sur les SSD, consommation). Néanmoins, le rapport prix-espace de stockage reste encore largement à l'avantage du disque mécanique, près de dix fois moins cher en 2012.

Une tendance apparue en 2012 sur les ordinateurs de salon consiste à mettre le système d'exploitation sur un SSD d'environ 100 Go et les données sur un disque dur de capacité dix fois supérieure et de coût similaire.

Depuis 2013, les capacités des SSD ont beaucoup évolué et on peut en trouver de 2 To^[3].

Historique

Développement des SSD

L'avantage principal d'un SSD est, à l'heure actuelle, de s'affranchir de trois défauts des disques durs classiques :

• leur mécanique et leur fragilité d'une part (cf. tribologie) ;
• les nuisances sonores dues à la rotation des disques et au déplacement des têtes de lecture des données ;
• les latences parfois importantes d'accès aux données : en moyenne une demi-rotation nécessaire pour accéder à celles-ci plus le temps de déplacement de piste à piste de la tête de lecture^[b].

Au moment où apparaissent les SSD, la majorité des disques durs tournent à 7 200 tr/min voire 10 000 tr/min, soit environ 4,2 ms de latence moyenne, et le temps moyen de recherche^[c] est, le plus souvent, compris entre 8 et 12 ms pour un disque dur grand public, ce qui donne donc un temps d'accès moyen compris entre 12 et 16 ms^[d]. Ce temps d'accès moyen a peu évolué en dix ans, tandis que les vitesses des processeurs, des mémoires vives, des cartes vidéo et d'un bon nombre des composants d'un PC ont connu d'importants progrès.

L'usage de la mémoire flash supprime en théorie le problème des temps d'accès, ramené à l'ordre de 0,1 ms seulement. La réactivité de l'ordinateur est donc considérablement augmentée^[e]. Les SSD se révèlent donc systématiquement plus rapides que les disques traditionnels (par exemple, un Samsung 840 Pro obtient des débits jusqu'à 540 Mo/s en lecture et 520 Mo/s en écriture).

Ces propos doivent toutefois être nuancés par deux points :

1. les SSD sont nettement plus performants en lecture, mais leur conception fait qu'ils ne peuvent réécrire que des zones bien plus grandes qu'un secteur disque^[f]. Leur performance réelle en écriture seront beaucoup moins bonnes si la partition du disque est relativement pleine^{[réf. nécessaire]} ;
2. les disques durs laissent beaucoup de temps libre au processeur entre deux opérations, contrairement aux SSD du fait de leur absence de délais mécaniques. Il peut donc en résulter paradoxalement une perte de réactivité faute de temps processeur à consacrer au clavier, sauf si dans un multiprocesseur on utilise l'« affinité processeur » pour en dédier un soit au SSD^[4], soit au clavier^{[réf. nécessaire]}.

Démocratisation : prix et capacités

La démocratisation des SSD a été proportionnelle à la diminution de leur prix, corrélée à l'augmentation de leurs capacités. Au début des SSD, leurs capacités très faibles ne permettaient pas d'installer un Windows (4,8 puis 16 Gio). Par ailleurs, Windows XP était mal optimisé pour les SSD, sa conception remontant à plus de six ans avant leur apparition effective. Windows Vista, gérant un peu mieux les SSD, avait la fonction ReadyBoost, ce qui offrait une opportunité pour l'usage de ces petits SSD. Par la suite, les SSD ont pu avoir la capacité d'accueillir de lourds systèmes Windows, à un prix supportable, de sorte que la configuration préférée des informaticiens était un SSD système et un (ou plusieurs) disques mécaniques en stockage. Cette méthode, restée élitiste par l'achat d'au moins deux unités de stockage, dont une coûteuse, ne s'est démocratisée qu'avec la baisse de prix, équipant dans un premier temps les PC fixes haut de gamme, avant de descendre progressivement vers les tours et portables de milieu de gamme.

Le gigaoctet pour 1 euro a été atteint en France début septembre 2011, dans le cadre d'une offre promotionnelle restreinte. La baisse se poursuit, puisqu'en novembre 2012, on atteint le prix de ± 0,7 euro/Go et en décembre 2013, ± 0,5 euro/Go^{[réf. nécessaire]}. En janvier 2016, on arrive à ± 0,33 euro/Go^[5] sur des modèles de 1 To en TLC.

En mai 2015, Sandisk annonce des SSD de 6 To^[6], plutôt destinés aux centres informatiques.

En mars 2016, Seagate annonce un SSD dont la vitesse atteint 10 Go/s^[7] et Samsung un SSD de plus de 15 To en format 2,5 pouces (6,35 cm)^[8].

Différentes formes de SSD

Forme classique

En général, un SSD se présente sous la même forme qu'un disque dur classique. Ainsi les appareils au format 2,5 pouces (6,35 cm) peuvent nécessiter un adaptateur pour être utilisés dans un emplacement prévu pour un format 3,5 pouces (8,89 cm). Ils possèdent généralement une alimentation SATA ainsi qu'une connectique SATA III.

Carte PCI

Afin de délivrer le maximum de leur débit, il existe des SSD reliés à la carte mère par le biais d'un connecteur PCI Express, à l'image d'une carte graphique. Ceci permet à certains SSD de dépasser la barre du Gio/s^[9], alors que les interfaces SATA sont limitées à 600 Mio/s pour les toutes dernières générations, et même 300 Mio/s pour les interfaces SATA les plus répandues.

Les SSD au format PCI Express sont le plus souvent constitués d'un contrôleur RAID interfaçant deux à huit SSD placés directement sur la carte, permettant ainsi d'obtenir une solution RAID clé en main et bien plus compacte qu'une carte SATA RAID raccordée à des SSD SATA classiques au format 2,5 (6,35 cm) ou 3,5 pouces (8,89 cm). Cependant, ce type de solution ne supporte pas encore la commande TRIM.

Solutions « artisanales »

Diverses solutions exotiques avaient été vendues sur internet au début des SSD pour éviter les prix astronomiques de ces stockages. En faisant son SSD, on pouvait maîtriser capacité et prix.

• Jeu (Bundle) de barrettes de mémoire vive fixées sur une carte fille, connectée à la carte mère via PCI
• Multislots de carte mémoires (compact Flash)
• …

• Divers formes de SSD « exotiques »
• Carte mémoire constituée de barrettes DDR.

• Barrette de RAM connectée via SATA.

• Adaptateur pour carte CompactFlash.

Fonctionnement et architecture

Un SSD stocke les données (documents, musique, film…) sur de la mémoire flash, de la même manière qu'une simple clé USB. Un SSD est donc un support de mémoires flash relié à l'ordinateur, souvent par SATA III, mais progressivement remplacé par PCI, pour plus de performance. Cette mémoire flash, répartie sur la carte en plusieurs modules, est pilotée par un contrôleur qui organise le stockage et la répartition des données sur l'ensemble de la mémoire. Les données échangées entre le système d'exploitation et la mémoire transitent par une mémoire tampon. Le SSD fonctionne logiciellement par un BIOS interne qui permet entre autres, la manipulation de divers paramètres et l'affichage de beaucoup d'informations non visibles par l'intermédiaire du système d’exploitation.

Comparaison entre SSD et HDD

Techniques

Types de mémoires SLC, MLC ou TLC

Il existe trois types de mémoire flash :

1. la SLC NAND (Single Level Cell), dans laquelle chaque cellule élémentaire peut stocker un seul bit (deux niveaux de charge),
2. la MLC NAND (Multi Level Cell), dans laquelle les cellules peuvent stocker plusieurs bits (le plus souvent, 2 bits), soit quatre niveaux de charge, et référencés comme DLC NAND (Dual Level Cell).
3. La TLC NAND (Triple Level Cell), variante de MLC comportant 3 bits, soit huit niveaux de charge, également appelé MLC « X3 » (introduites en 2009) et qui augmente encore le nombre de bits stockés par cellule.

Le stockage de plusieurs bits par cellule permet de diminuer fortement le coût de fabrication, puisque la densité est au minimum doublée, mais dégrade les performances, surtout en écriture, et réduit grandement la durée de vie des cellules. Sur des mémoires 50 nm, les SLC supportent environ 100 000 cycles écriture/effacement. La MLC a une durée de vie de l'ordre de dix fois inférieure, allant d'environ 3 000 à 10 000 cycles par cellule, selon les modèles. La TLC est la technologie ayant la plus faible durée de vie avec environ 1 000 cycles d'écriture par cellule^[14]. Plusieurs constructeurs les offrent avec une garantie de 5 à 10 ans^[15], ce qui ne prémunit pas contre la perte de données, mais garantit qu'en cas de défaillance (si on a gardé ses preuves d'achat ou qu'on s'est enregistré par Internet) sera fourni un SSD neuf de caractéristiques équivalentes sur lequel on pourra restaurer sa dernière sauvegarde.

La majorité des SSD grand public utilisent de la mémoire MLC (en 2017 c'est le TLC qui est largement majoritaire), tandis que la mémoire SLC se retrouve dans les SSD destinés aux entreprises et aux serveurs, ce qui crée le problème principal du SSD grand public : la limite des cycles d'écriture^[16].

Innodisk, concepteur de SSD pour applications industrielles, a breveté la technologie iSLC, qui doit garantir une performance plus durable et plus fiable que les classiques flash NAND MLC, mais à un moindre coût^[17]. Il existe aussi une variante du type MLC, appelée eMLC (pour Enterprise MLC) qui permet plus de cycles d'écritures^[18].

Durée de vie

La durée de vie d'un disque dur SSD s'estime d'une manière un peu différente des disques durs traditionnels.

Elle tient compte essentiellement de deux caractéristiques techniques :

• Le MTBF qui s'exprime en nombre d'heures de fonctionnement^[19]. L'ordre de grandeur est le million d'heures, soit plus d'une centaine d'années pour ce type de produit.
• Le TBW (de l'anglais TeraByte Written) qui s'exprime en téraoctets. Ce chiffre correspond à la quantité maximale d'octets pouvant être écris sur le disque SSD au cours de sa vie.

Le TBW est défini par la formule suivante^[20],[21] :

${\displaystyle TBW={\frac {(Capacite(Go)\div 1000)\times NbrCyclesEcritureEffacement}{WAF}}}$

Il se calcule à partir des trois éléments suivants :

• La capacité du disque SSD exprimée en Go.
• Le nombre de cycles écriture/effacement (également appelé P/E Cycles pour Program / Erase Cycles)^[22]. Ce chiffre est exprimé en millier(s), dizaine(s) de millier(s) ou centaine(s) de millier(s) en fonction de la technologie utilisée dans le processus de fabrication des puces. Il exprime le nombre de fois que l'on peut répéter l'opération d'écriture ou d'effacement d'une zone mémoire avant qu'elle ne se dégrade. Voir chapitre précédent « Types de mémoire ».
• Le WAF (de l'anglais Write Amplification Factor). Il s'agit du rapport entre le nombre d'octets réellement écrits sur le SSD et le nombre d'octets écrits vu de l’hôte. Ce chiffre varie en fonction du type de contrôleur utilisé dans le disque SSD et du système hôte. Certains fabricants utilisent également le terme WAI (de l'anglais Write Acceleration Index) qui signifie la même chose.

Il existe également une autre façon d'exprimer le TBW, on verra parfois apparaître dans certaines documentations le terme DWPD (de l'anglais Drive Writes Per Day).

Alors que le TBW exprime la quantité maximale de téraoctets pouvant être transférés sur le disque SSD pendant toute la durée de sa vie, le DWPD exprime le nombre de fois que la capacité totale du disque SSD peut être réécrite par jour, cette valeur ne dépend pas de la capacité du disque contrairement au TBW.

En général, le TBW est utilisé pour des disques SSD d'entrée de gamme, alors que le DWPD est plutôt réservé pour des disques SDD à usage professionnel comme ceux qui sont intégrés dans des serveurs par exemple.

Le DWPD se calcule à partir du TBW et de la période de garantie du constructeur, il est défini par la formule suivante^[23],[24]:

${\displaystyle DWPD={\frac {TBW\times 1024}{Capacite(Go)\times PeriodeDeGarantie(Annee)\times 365}}}$

La formule est réversible, on peut également calculer le TBW à partir du DWPD et de la durée de garantie du disque SSD :

${\displaystyle TBW={\frac {DWPD\times Capacite(Go)\times PeriodeDeGarantie(Annee)\times 365}{1024}}}$

Remarque : La conversion d'unité entre le gigaoctet et le teraoctet exprime un rapport de 1024 (2^10). Cependant, par souci de simplicité, certains fabricants arrondissent ce ratio à 1000 dans les formules, ce qui peut générer une petite différence sur les résultats de conversion.

D'autres technologies peuvent influencer la durée de vie, comme la prise en charge ou non des commandes TRIM.

Commande TRIM

La commande TRIM, disponible sur la plupart des modèles récents de SSD, permet aux systèmes d'exploitation modernes d'éviter que les performances ne se dégradent avec le temps. Elle est supportée par les systèmes d'exploitation :

• GNU/Linux à partir du noyau 2.6.33 et dérivé Android 4.3.
• Microsoft Windows à partir de Windows 7.
• macOS depuis la version 10.6.6 (mais uniquement sur les SSD livrés par Apple^[25]).
• FreeBSD à partir des versions 8.1 et 9.2 pour UFS, 9.2 et 10.0 pour ZFS. Le support du RAID logiciel leur est ajouté en 10.0. Les systèmes d'exploitation dérivés en héritent: FreeNAS 9.1.0, PC-BSD 10.0, NAS4Free 9.3.0.2.
• NetBSD 6 pour FFS.
• DragonFly 4.1.
• AIX et HP-UX avec JFS2 en 2012.
• OpenSolaris build 146 avec ZFS, et dérivé Oracle Solaris 11.
• IllumOS avec ZFS, implémentation en cours en 2014.

Elle sert à notifier le SSD lors de l'effacement d'un fichier. Le contrôleur du SSD peut alors effacer les cellules de mémoire flash anciennement utilisées, afin d'optimiser les écritures ultérieures qui pourront alors être effectuées sans avoir à réaliser l'effacement préalable imposé par la technologie de la mémoire flash.

Cette technique permet également d'augmenter la durée de vie des SSD, à la condition de laisser suffisamment d'espace libre sur le disque, en effectuant une rotation sur les cellules utilisées à chaque écriture. Plus l'espace disque disponible est faible, plus les écritures seront fréquemment sur les mêmes cellules et réduira donc l'efficacité de cette technique.

Le fabricant Kingston, sur son modèle SSDNow V+ 100, annonce une technologie permettant un résultat proche des systèmes d'exploitation couplés avec des SSD offrant la commande TRIM, tout en étant disponible pour tous les types de systèmes d'exploitation. Cette solution nommée « Garbage Collector » (en français, ramasse-miettes) fonctionne au niveau du micrologiciel du SSD, indépendamment du système d'exploitation^{[réf. nécessaire]}.

Constructeurs

Produits finis

Contrôleurs