powered by CADENAS

Social Share

Твердотельный накопитель (20904 views - Computer)

Твердотéльный накопи́тель (англ. solid-state drive, SSD) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, которое пришло на смену HDD. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Наиболее распространенный вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создается на базе DRAM-памяти, снабженной дополнительным источником питания — аккумулятором. В настоящее время твердотельные накопители используются не только в компактных устройствах — ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах, планшетах, но могут быть использованы и в стационарных компьютерах для повышения производительности. По сравнению с традиционными жёсткими дисками (HDD), твердотельные накопители имеют меньший размер и вес и большую скорость, но в несколько раз (6–7) большую стоимость за гигабайт и значительно меньшую износостойкость (ресурс записи). Небольшие твердотельные накопители могут встраиваться в один корпус с магнитными жёсткими дисками, образуя гибридные жёсткие диски (англ. SSHD, solid-state hybrid drive). Флеш-память в них может использоваться либо в качестве буфера (кэша) небольшого объёма (4–8 ГБ), либо (реже) быть доступной как отдельный накопитель (англ. dual-drive hybrid systems). Подобное объединение позволяет воспользоваться частью преимуществ флеш-памяти (быстрый произвольный доступ) при сохранении небольшой стоимости хранения больших объёмов данных.
Go to Article

Твердотельный накопитель

Твердотельный накопитель

Твердотéльный накопи́тель (англ. solid-state drive, SSD) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти, которое пришло на смену HDD. Кроме них, SSD содержит управляющий контроллер. Наиболее распространенный вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создается на базе DRAM-памяти, снабженной дополнительным источником питания — аккумулятором[1].

В настоящее время твердотельные накопители используются не только в компактных устройствах — ноутбуках, нетбуках, коммуникаторах и смартфонах, планшетах, но могут быть использованы и в стационарных компьютерах для повышения производительности.

По сравнению с традиционными жёсткими дисками (HDD), твердотельные накопители имеют меньший размер и вес и большую скорость, но в несколько раз (6–7) большую стоимость за гигабайт и значительно меньшую износостойкость (ресурс записи).

Небольшие твердотельные накопители могут встраиваться в один корпус с магнитными жёсткими дисками, образуя гибридные жёсткие диски (англ. SSHD, solid-state hybrid drive)[2][3][4]. Флеш-память в них может использоваться либо в качестве буфера (кэша) небольшого объёма (4–8 ГБ), либо (реже) быть доступной как отдельный накопитель (англ. dual-drive hybrid systems). Подобное объединение позволяет воспользоваться частью преимуществ флеш-памяти (быстрый произвольный доступ) при сохранении небольшой стоимости хранения больших объёмов данных.

История развития

  • 1978 год — американская компания StorageTek разработала первый полупроводниковый накопитель современного типа (основанный на RAM-памяти).
  • 1982 год — американская компания Cray представила полупроводниковый накопитель на RAM-памяти для своих суперкомпьютеров Cray-1 со скоростью 100 МБит/с и Cray X-MP со скоростью 320 МБит/с, объёмом 8, 16 или 32 миллиона 64-разрядных слов.[5]
  • 1995 год — израильская компания M-Systems представила первый полупроводниковый накопитель на flash-памяти.
  • 2007 год — Компания ASUS выпустила нетбук EEE PC 701 с SSD-накопителем объёмом 4 ГБ.
  • 2008 год — Южнокорейской компании Mtron Storage Technology удалось создать SSD-накопитель объёмом 128 ГБ со скоростью записи 240 МБ/с и скоростью чтения 260 МБ/с.

В настоящее время наиболее заметными компаниями, которые интенсивно развивают направление SSD-накопителей в своей деятельности, можно назвать Samsung Electronics, SanDisk, Lite-on, Kingston, Intel,[6] Toshiba, Corsair, Renice, OCZ Technology, Crucial и ADATA.

В начале 2010-х годов на рынке были представлены SSD-накопители с объёмами 64, 80, 120, 256, 512 гигабайт, отдельные модели имеют ёмкость 0,7, 0,8, 1, 1,6 терабайта или более. Основными интерфейсами подключения стали SATA III (до 600 МБ/с), набирали популярность интерфейсы на базе PCI Express (до 0,5, 1 или 2 ГБ/с для PCIe Gen.2, 1–4 ГБ/с для PCIe Gen.3). Компактные накопители для ноутбуков начали переход от mSATA на NGFF (M.2). За 2012 год поставки SSD составили около 34 миллионов устройств, основные рынки: потребительский, серверный, индустриальные применения. Цены на 128 ГБ SSD в 2013 году находились в пределах 70–85 долларов США[7].

Архитектура и функционирование

NAND SSD

Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились относительно недавно, во второй половине 90-х годов прошлого века, но начали уверенное завоевание рынка в связи с прогрессом в микроэлектронике и улучшением основных характеристик, в том числе стоимости за гигабайт. До середины 2000-х годов уступали традиционным накопителям — жёстким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью доступа к произвольным блокам информации (скорость поиска, скорость начального позиционирования). С 2012 года уже выпускаются твердотельные накопители со скоростью чтения и записи, во много раз превосходящими возможности жёстких дисков[8]. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.

RAM SSD

Эти накопители построены на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) наподобие RAM drive и характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком является чрезвычайно высокая стоимость за единицу объёма. Используются в основном для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или оперативного копирования. Примерами таких накопителей являются I-RAM и ACARD ANS-9010 / 9010BA.

Пользователи, обладающие достаточным объёмом оперативной памяти, могут организовывать имитацию подобных устройств за счет технологии диск в ОЗУ (RAM drive), например, для оценки быстродействия виртуальных машин.

Другие

В 2015 году компании Intel и Micron заявили о выходе новой энергонезависимой памяти 3D XPoint[9]. Intel планировала выпустить SSD-накопители на основе 3D XPoint с использованием интерфейса PCI Express в 2016 году, которые были бы быстрее и выносливее, чем накопители на основе NAND. В марте 2017 года Intel выпустила первый SSD-накопитель с использованием технологии 3D XPoint — Intel Optane P4800X[10].

Преимущества

  • Отсутствие движущихся частей, отсюда:
    • полное отсутствие шума;
    • высокая механическая стойкость (кратковременно выдерживают порядка 1500 g);
  • стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
  • скорость чтения/записи выше, чем у распространенных жёстких дисков, и в ряде операций может быть близка к пропускной способности интерфейсов (SAS/SATA II 300 МБ/с, SAS/SATA III 600 МБ/с). Твердотельные накопители могут реализовываться с более быстрыми интерфейсами: SATA III, PCI Express, NGFF (M.2, в вариантах с PCIe), SATA Express, NVM Express (стандарт на подключение SSD по шинам PCI Express), U.2.
  • количество произвольных операций ввода-вывода в секунду (IOPS) у SSD на порядок выше, чем у жёстких дисков, за счет возможности одновременного запуска множества операций и более низкой латентности каждой операции (нет необходимости ожидать оборота диска перед доступом);
  • низкое энергопотребление;
  • намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям;
  • малые габариты и вес. Для твердотельных накопителей были разработаны более компактные форм-факторы, например mSATA, NGFF (M.2).

Недостатки

  • Главный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, Multi-level cell, многоуровневые ячейки памяти) флеш-память позволяет записывать данные примерно 3000–10 000 раз (гарантированный ресурс); в самых дешевых накопителях (USB, SD, uSD) может использоваться еще более плотная память типа TLC (MLC-3) с ресурсом порядка единиц тысяч циклов или менее. Самые дорогостоящие виды памяти (SLC, Single-level cell, одноуровневые ячейки памяти) — имеют порядка сотен тысяч циклов перезаписи.[11] Для борьбы с неравномерным износом в высокопроизводительных (SATA и PCIe) SSD применяются схемы балансирования нагрузки: контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались, и при необходимости производит запись в менее изношенные блоки.[12] При выработке реального ресурса банков памяти накопитель может перейти в режим «только для чтения», что позволит скопировать данные[13][14]. Данный недостаток отсутствует у RAM SSD, а также у нескольких перспективных технологий, которые к концу 2010-х могут заменить флеш-память, например FRAM, где ресурс может составлять десятки лет в режиме непрерывной перезаписи. При ряде вариантов использования, в том числе в бытовых компьютерах, при корректно работающих алгоритмах выравнивания износа, ресурса накопителей обычно достаточно на многие[сколько?] годы[15], то есть срок службы превышает сроки морального устаревания;
  • цена гигабайта SSD-накопителей, несмотря на продолжающееся на протяжении многих лет быстрое снижение, всё ещё в несколько раз (6–7 для наиболее дешёвой флеш-памяти) выше цены гигабайта HDD[16] (в 2012–2015 годах: менее 0,1 $ за ГБ в HDD[какой?] , от 1 до 0,5–0,4 доллара за ГБ в SSD[17]). Уравнивание стоимости за единицу объема SSD и HDD прогнозируется приблизительно к 2019 году[18], к тому же стоимость SSD практически прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит не только от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя[19]. В то же время небольшие по объёму SSD могут быть заметно дешевле, чем жёсткие диски наименьших объёмов, в которых всегда требуется использовать точные механические системы. Это позволяет удешевлять массовые ПК, дешёвые ноутбуки и встраиваемые системы[20];
  • модели накопителей минимального объема обычно имеют немного более низкую производительность в ряде операций за счёт меньшего параллелизма[21];
  • производительность накопителя зачастую может временно снижаться при записи больших объёмов данных (и исчерпании быстрого буфера записи, например участка памяти, работающего в режиме псевдо-SLC), в процессе работы «сборщика мусора» или при обращении к более медленным страницам памяти[22];
  • применение в SSD-накопителях аппаратной команды TRIM для пометки удаленной информации может сильно осложнить или сделать невозможным восстановление удалённой информации соответствующими утилитами. С другой стороны, из-за выравнивания износа нет способа гарантированно удалять отдельные файлы с SSD: возможен лишь полный сброс всего накопителя при помощи «ATA Secure Erase». Команда TRIM помечает блоки как свободные, а решение о моменте физического стирания информации определяется прошивкой устройства[23];
  • возможен выход из строя электронных устройств, в том числе контроллера или отдельных чипов NAND-памяти либо пассивных компонентов. Среди некоторых моделей выходят из строя до 0,5–2 % SSD накопителей в течение первых лет эксплуатации[24]. Как и в случае HDD, выход из строя является внезапным[25];
  • высокая сложность или невозможность восстановления информации после электрических повреждений. Так как контроллер и носители информации в SSD находятся на одной плате, то при превышении или значительном перепаде напряжения могут повредиться несколько чипов, что приводит к безвозвратной потере информации. Вероятность восстановления данных существует, если поврежден лишь контроллер[26]. В жёстких дисках восстановление информации с приемлемой трудоёмкостью также возможно только при выходе из строя платы контроллера, при сохранении целостности пластин, механики и считывающего оборудования;
  • низкая реальная помехозащищенность операций чтения из ячеек памяти и наличие сбойных ячеек, особенно при изготовлении по самым современным («тонким») техпроцессам, приводит к необходимости использования в контроллерах современных моделей все более сложных внутренних кодов исправления ошибок: ECC, Reed-Solomon, LDPC[27][28]. В ряде дешёвых SSD внутренние ошибки кодов коррекции могут приводить к значительному увеличению латентности отдельных операций.

Поддержка в различных ОС

Microsoft Windows и твердотельные накопители

В ОС Windows 7 была введена специальная оптимизация для работы с твердотельными накопителями. При наличии SSD-накопителей эта операционная система работает с ними иначе, чем с обычными HDD-дисками. Например, Windows 7 не применяет к SSD-накопителю дефрагментацию, технологии SuperFetch и ReadyBoost и другие техники упреждающего чтения, ускоряющие загрузку приложений с обычных HDD-дисков.

Предыдущие версии Microsoft Windows такой специальной оптимизации не имеют и рассчитаны на работу только с обычными жёсткими дисками. Поэтому, например, некоторые файловые операции Windows Vista, не будучи отключёнными, могут уменьшить срок службы SSD-накопителя. Операция дефрагментации должна быть отключена, так как она практически никак не влияет на производительность SSD-носителя и лишь дополнительно изнашивает его ресурс.

Mac OS X и компьютеры Macintosh с твердотельными накопителями

Операционная система Mac OS X, начиная с версии 10.7 (Lion), полностью осуществляет TRIM-поддержку для установленной в системе твердотельной памяти.[29]

С 2010 года компания Apple представила компьютеры линейки Air, полностью комплектуемые только твердотельной памятью на основе флеш-NAND памяти. До 2010 года покупатель мог выбрать для данного компьютера обычный жёсткий диск в комплектации, но дальнейшее развитие линейки в пользу максимального облегчения и уменьшения корпуса компьютеров данной серии потребовало полного отказа от обычных жёстких дисков в пользу твердотельных накопителей.

Объём комплектуемой памяти в компьютерах серии Air составляет от 128 ГБ до 512 ГБ.[30] По данным J. P. Morgan, с момента представления до июня 2011 года было продано 420 тысяч компьютеров этой серии полностью на твердотельной флеш-NAND памяти[31].

11 июня 2012 года на основе флеш-памяти был представлен обновлённый модельный ряд профессиональных ноутбуков MacBook Pro с дисплеем Retina, в котором опционально можно было установить 768 ГБ флеш-памяти.[источник не указан 1162 дня]

GNU/Linux и компьютеры данной платформы с твердотельными накопителями

Операционная система Linux, начиная с версии ядра 2.6.33, полностью осуществляет TRIM-поддержку для установленной в системе твердотельной памяти при указании опции «discard» в настройках монтирования накопителя[32].

Перспективы развития

Главный недостаток SSD-накопителей на базе флеш-памяти — ограниченное число циклов перезаписи; при развитии технологий изготовления энергонезависимой памяти, возможно, будет устранён путём изготовления носителя информации по другим физическим принципам, например FeRam, ReRAM (resistive random-access memory) и др.

См. также



This article uses material from the Wikipedia article "Твердотельный накопитель", which is released under the Creative Commons Attribution-Share-Alike License 3.0. There is a list of all authors in Wikipedia

Computer

Computer, Hardware, Software