Що таке SSD диски і принцип їх роботи
Сьогодні ми з Вами розберемо основні моменти і принципи функціонування технології твердотільних SSD дисків. Як Ви пам'ятаєте, в першій частині статті ми проводили порівняльне тестування одного SSD і двох HDD дисків. Розглядали, як він виглядає зсередини і з яких основних блоків складається.
Також - перерахували основні переваги даної технології, а зараз розглянемо недоліки, які притаманні їй на даний момент. Наведемо основні з них у вигляді списку:
- Висока (щодо HDD дисків) вартість зберігання даних, тобто - меншу ємність диска ми отримуємо за великі гроші
- Велика вразливість (щодо пристроїв з магнітним принципом запису) до електричних перешкод і проблем енергопостачання (раптове відключення енергії, магнітні поля, статична електрика)
- Не можна повністю заповнювати диск (15-20% простору має бути вільним)
- Термін служби носія обмежений певною кількістю циклів запису його осередків
Але давайте - по порядку! Почнемо з того, що таке SSD диск і який принцип його роботи?
SSD диск
Це - твердотільний накопичувач, в якому замість традиційних пластин жорстких дисків , покритих феромагнітним шаром, використовуються чіпи NAND флеш пам'яті.
Чіпи пам'яті NAND
NAND пам'ять це - еволюція флеш-пам'яті, чіпи якої мали набагато менше швидкодія, довговічність і конструктивно виглядали більш масивними.
Можливо Вам буде цікаво, що флеш-пам'ять були розроблена в одному з підрозділів компанії «Toshiba» в 1984-му році. Перший же комерційний чіп на основі даної розробки в 1988-му році випустила «Intel». А вже через рік (у 1989-му) та ж «Toshiba» представила новий тип флеш-пам'яті - NAND.
На даний момент є три основні варіанти (модифікації) NAND пам'яті:
- SLC (однорівнева - Single Level Cell)
- MLC (дворівнева - Multi Level Cell)
- TLC (трирівнева - Three Level Cell)
Найдорожчими і надійними рішеннями є пристрої на SLC чіпах. Чому? Вони дозволяють в кожному осередку пам'яті зберігати тільки один біт інформації. На відміну він них, MLC і TLC чіпи можуть зберігати два і три біти відповідно. Це стало можливим за рахунок використання різних рівнів електричного заряду на затворах осередків пам'яті.
Схематично це можна зобразити ось так:
Подібна багаторівнева структура дозволяє різко збільшити ємність чипів при тому ж їх фізичному обсязі (в результаті кожен гігабайт виходить дешевше). АЛЕ! Нічого безкоштовно не дається! Тому у MLC і TLC чіпів різко скорочується термін їх «життя», який безпосередньо пов'язаний з кількістю циклів перезапису їх осередків.
Для SLC це - 100 000 циклів стирання / запису, для MLC - 10 000, а для TLC - всього 5 000. Таке зниження надійності пов'язано з поступовим руйнуванням діелектричного шару плаваючого затвора осередку через малого резерву зміни його стану під дією електричного струму. Плюс в силу того, що з кожним новим рівнем ускладнюється завдання безпомилкового розпізнавання рівня електричного сигналу, а значить - збільшується загальний час пошуку потрібної осередку з даними, підвищується ймовірність виникнення помилок читання.
Для боротьби з описаними вище явищами, виробникам доводиться розробляти спеціалізовані високоінтелектуальні мікроконтролери управління для SSD дисків, які, крім процедур введення-виведення, повинні записувати інформацію на носій так, щоб мікросхеми його флеш-пам'яті зношувалися рівномірно і контролювати цей знос, балансуючи навантаження, також - проводити корекцію помилок і т.д.
Саме контролер є слабким місцем твердотільних SSD дисків, так як він більш чутливий до проблем з харчуванням і пошкодження прошивки (прошивки), що знаходиться в ньому, може привести до повної втрати всіх даних користувача. А їх коректне відновлення - ще більш трудомістка операція, ніж у випадку з HDD дисками. В силу того, що дані розкидані по різних чіпів пам'яті і необхідно коректно відновити первинну їх структуру, а це буває не просто.
Тому виробники SSD накопичувачів регулярно оновлюють прошивки своїх дисків і викладають їх для вільного скачування, допрацьовує і покращуючи алгоритми роботи пристрою і попереджаючи вашій роботі у випадку аварійної ситуації.
Рекомендація! Періодично оновлюйте «прошивку» (firmware) свого SSD, завантажуючи її з сайту виробника.
З зносом MLC осередків пам'яті виробники борються ще й методом, добре зарекомендували себе в дисках з магнітним принципом запису: резервуючи частина їх обсягу (10-20%) для динамічної заміни зношених осередків. У разі HDD ця область служить для заміни бед секторів вінчестера.
Але і ми, як користувачі, можемо допомогти нашому SSD накопичувача в холосту не розтрачувати свій обмежений ресурс «життя» і налаштувати операційну систему таким чином, щоб мінімізувати непотрібні звернення до диска.
Я покажу загальні принципи того, що потрібно робити і чого прагнути уникати, а Ви вже самі налаштуєте свою систему на оптимальну роботу з твердотілим диском.
Наприклад: ми знаємо, що операційна система «Windows» під час своєї роботи активно використовує файл підкачки (прихований системний файл «pagefile.sys»). Що це означає, стосовно зносу осередків SSD накопичувача і всього того, про що ми говорили вище? А то, що окрема область системного флеш-диска інтенсивно використовується (часто перезаписується якимись службовими і не потрібними нам даними і, по факту, - активно зношується)!
Що можна зробити? Правильно! Перенести файл підкачки на інший (НЕ SSD диск), як зробив я, або ж, при великому обсязі оперативної пам'яті , зовсім від нього відмовитися (виставити в «0»)?
Йдемо далі: процедура дефрагментації не тільки не потрібна даного типу пристроїв (швидкість доступу у них однакова для будь-якого елементу незалежно від того, де знаходиться кінцевий файл), але і просто шкідлива. З тієї ж причини, що описана вище. Зайві (холості) звернення до диска тільки додатково знижують його обмежений ресурс. Значить - вимикаємо відповідну службу дефрагментації. Також не зайвим буде відключити індексування файлів, яке потрібно для більш швидкого пошуку, але так чи часто ми ним користуємося?
Принцип, я думаю, Ви вловили. А зараз я б хотів показати Вам невелику програму «SSD Mini Tweaker» (твикер - оптимізатор), яка подібним чином оптимізує роботу SSD накопичувача. У ній досить проставити потрібні нам галочки навпроти відповідних пунктів і натиснути кнопку «Застосувати зміни».
Комп'ютер перезавантажиться і зміни вступлять в силу. Програма чудова тим, що має російський інтерфейс і докладну довідку російською ж. Так що, в будь-який момент Ви можете детально ознайомитися з тією функцією, яку збираєтеся відключити або залишити задіяної.
Завантажити утиліту можна з нашого сайту. В архіві - версії для 32-х і 64-х розрядних систем і файл довідки російською.
Коль скоро ми так багато часу приділили питанню оптимального використання диска і зносу осередків його пам'яті, то не можу не уявити Вам ще одну цікаву розробку. Програма «SSD Life Pro», основне завдання якої - вести облік часу роботи диска і повідомляти приблизну дату виходу його з ладу.
На жаль, утиліта не змогла підрахувати «час життя» мого диска «Plextor», але показала деяку іншу цікаву інформацію.
Що ми тут бачимо? Запис «FW: 1.00» це - версія прошивки (firmware) диска, нижче показано зайняте і вільне місце на ньому, загальний час роботи з першого включення і кількість пусків. Також зверніть увагу на рядок TRIM (повинен бути активним), це говорить про те, що продуктивність SSD диска буде оптимальною.
Нижче представлений скріншот роботи тієї ж програми, але взятий з сайту її розробника. На ньому видно, що диск від компанії «Intel» коректно передав утиліті свої SMART параметри і на основі них утиліта відобразила розширений прогноз його стану.
Як бачите, вихід накопичувача з ладу «призначений» на сьоме листопада 2020 го року :)
Якщо ми натиснемо в верхній частині вікна програми на посилання «Як ви це вважаєте?», То перейдемо на сайт розробника і зможемо ознайомитися (російською), яким саме чином виробляється такий розрахунок?
На завершення цієї теми, прислухаємося до рекомендації усіма поважної фірми «Intel», яка говорить, що ідеальними умовами роботи SSD твердотільного диска є його заповненість даними менше ніж на 75% з співвідношенням статичної (рідко змінною) і динамічної (змінної часто) інформації - 3 до 1. Не слід використовувати останні 10-20% простору диска, так як вони потрібні для коректної роботи команди «TRIM». Для роботи їй потрібно вільний простір для перегрупування даних (так само, як для функції дефрагментації). Загальне правило таке - чим більше вільного місця - тим швидше працює пристрій.
На даний момент SSD диск ідеально підходить в ролі системного розділу, на якому встановлена операційна система і програми і - все. Дані і вся робота над ними повинна (по можливості) проходити на другому (HDD) диску. Також твердотільні диски можуть ефективно використовуватися на серверах для кешування статичних даних.
А зараз, давайте коротко розглянемо, чому дорожчі моделі SSD твердотільних дисків мають такі чудові швидкісні якості і чим ще відрізняються від своїх «молодших» побратимів?
По-перше: це - той же інтелектуальний чіп контролера накопичувача, який може бути сконструйований, як багатоканальний тобто - може записувати дані одночасно в кожен чіп флеш-пам'яті диска. У підсумку - загальна продуктивність пристрою буде дорівнює швидкості однієї мікросхеми пам'яті, помноженої на кількість каналів контролера. Ну, це якщо трохи спростити ситуацію :)
Також в більш дорогих моделях використовуються додаткові елементи, ріжучий на плату. Це може бути, наприклад, ряд конденсаторів, розташованих біля чіпа оперативної пам'яті диска, які забезпечують гарантоване збереження даних з кеш-пам'яті при збої в електроживленні.
При досягненні критичної маси відповідних комірок накопичувача, якісно виконана прошивка чіпа може повністю заблокувати SSD диск для функцій запису і перевести його в режим «тільки читання», що гарантує збереження даних користувача (можливість зробити резервну копію даних) до повного виходу пристрою з ладу.
І в завершенні нашої статті давайте торкнемося ще однієї цікавої різновиди твердотільний дисків. Це - «RAM SSD» накопичувачі. Що ж це таке?
Подібні гібридні пристрої використовують для зберігання інформації енергозалежні чіпи, повністю ідентичні тим, що використовуються в модулях оперативної пам'яті комп'ютера. Вони мають надшвидкої швидкістю доступу до даних, швидкістю читання і запису і можуть з успіхом застосовуватися для прискорення роботи великих баз даних і там, де потрібно пікове швидкодія.
Подібні системи оснащуються акумуляторами для підтримки функціонування при відсутності електроенергії, а більш дорогі моделі - системами резервного копіювання, коли дані копіюються на HDD носій.
Ось як може виглядати подібний пристрій, яке визначається операційною системою, як жорсткий диск.
RAM SSD диск
А ось - більш простий варіант, виконаний у вигляді плати PCI Express X1
Як бачите, принцип роботи тут - той же самий, але функцію чіпів флеш-пам'яті або «млинців» HDD тут виконують звичайні модулі RAM.
Тепер, як і обіцяв, пару слів хочу сказати про суб'єктивні відчуття після використання твердотільного накопичувача. Операційна система (Windows 7) завантажується і вимикається відчутно швидше. Це ж можна сказати і про встановлення і запуску програм. Деякі додатки просто дивують: «Microsoft Word 2003» «вистрілює» менше, ніж за секунду! Не встигаєш подумки підготуватися до роботи з ним :) Так, швидко, але не чекайте чогось феноменального, все таки це не «революція», а - «еволюція» :)