Твердотельный накопитель ( SSD ) твердотельное запоминающее устройство, которое использует сборку интегральных схем в качестве памяти для постоянного хранения данных. Его также иногда называют твердотельным диском по историческим причинам. Технология SSD в основном использует электронные интерфейсы, совместимые с традиционными жесткими дисками ввода / вывода (I / O) на жестких дисках (жесткие диски), которые позволяют легко заменять обычные приложения. Новые интерфейсы ввода-вывода, такие как SATA Express и M.2 , были разработаны для удовлетворения конкретных требований технологии SSD. естоположений на благодаря механическим ограничениям, таким как скорости вращения носителя и движение руки.
У SSD нет движущихся механических компонентов. Это отличает их от обычных электромеханических приводов, таких как жесткие диски (жесткие диски) или гибкие диски , которые содержат вращающиеся диски и подвижные головки чтения / записи . По сравнению с электромеханическими приводами твердотельные накопители обычно более устойчивы к физическому удару, работают бесшумно, имеют более быстрое время доступа и более низкую задержку. Однако, несмотря на то, что цена SSD продолжает снижаться с течением времени, SSD (по состоянию на 2018 [обновление] ) еще более дорогие на единицу хранения, чем жесткие диски, и ожидается, что они будут оставаться в следующем десятилетии. Начиная с 2017 года, большинство SSD используют флэш-память на основе 3D TLC NAND , которая является типом энергонезависимой памяти, которая сохраняет данные при утрате мощности. Для приложений, требующих быстрого доступа, но не обязательно сохранения данных после потери мощности, SSD могут быть построены из оперативной памяти (ОЗУ). Такие устройства могут использовать батареи как встроенные источники питания для сохранения данных в течение определенного времени после потери внешнего питания. Тем не менее, все твердотельные накопители по-прежнему хранят данные в электрических зарядах, которые медленно протекают с течением времени, если их оставить без питания. Это приводит к тому, что изношенные приводы (превышающие их выносливость) начинают терять данные, как правило, после одного (если они хранятся при 30 ° C) до двух (при 25 ° C) лет хранения, для новых дисков требуется больше времени. Поэтому SSD не подходят для архивных целей.
Гибридные приводы или твердотельные гибридные приводы (SSHD) объединяют функции твердотельных накопителей и жестких дисков в одном и том же блоке, содержащие большой жесткий диск и SSD-кеш для повышения производительности часто используемых данных.
Гибридные приводы или твердотельные гибридные приводы (SSHD) объединяют функции твердотельных накопителей и жестких дисков в одном и том же блоке, содержащие большой жесткий диск и SSD-кеш для повышения производительности часто используемых данных.
Развитие и история
Ранние SSD-устройства, использующие оперативную память и аналогичную технологию
Раннее, если не первое полупроводниковое запоминающее устройство, совместимое с интерфейсом жесткого диска (например, SSD, как определено) было 1978 StorageTek 4305. StorageTek 4305, совместимая с плагином замена жесткого диска IBM 2305, первоначально использовала устройства с зарядовой связью для хранения и, как сообщается, в семь раз быстрее, чем продукт IBM, примерно в половине цены. Затем он переключился на DRAM. До SSD StorageTek было много DRAM и ядра (например, DATARAM BULK Core, 1976 ), которые продавались как альтернативы жестким дискам, но эти продукты обычно имели интерфейсы памяти и не были определены как SSD.
В конце 1980-х годов компания Zitel, Inc., предлагала семейные SSD-продукты семейства DRAM под торговым названием «RAMDisk» для использования в системах UNIVAC и Perkin-Elmer и других.
Магнитная память была изобретена в 1947 году и развивалась до середины 1970-х годов. Он стал распространенной формой памяти с произвольным доступом, опираясь на массив намагниченных колец. Изменяя смысл намагничивания каждого кольца, данные могут храниться с одним битом, хранящимся на кольцо. Поскольку каждое кольцо имело комбинацию адресных проводов для выбора и чтения или записи, доступ к любой ячейке памяти в любой последовательности был возможен.
Флеш-накопители
До разработки интегральных цепей постоянной памяти (ПЗУ) постоянная (или только для чтения ) память с произвольным доступом часто строилась с использованием диодных матриц, управляемых адресными декодерами или специально намотанными ядрами сердечника сердечника.
Типы памяти с произвольным доступом
В 1991 году SanDisk Corporation (затем SunDisk) отправила первый SSD, твердотельный накопитель на 20 МБ (SSD), который продал OEM около 1000 долларов США. Он использовался IBM на ноутбуке ThinkPad. В 1995 году STEC, Inc. вошла в бизнес флэш-памяти для потребительских электронных устройств.
В 1995 году M-Systems представила твердотельные накопители с флэш-памятью в качестве замены жестких дисков для военной и аэрокосмической промышленности, а также для других критически важных приложений. Эти приложения требуют исключительного среднего времени между скоростями отказов (MTBF), которые достигают твердотельные диски благодаря их способности выдерживать экстремальные ударные, вибрационные и температурные диапазоны.
В 1999 году BiTMICRO сделал ряд презентаций и анонсов о SSD-накопителях на базе флеш-памяти, включая SSD емкостью 18 ГБ на 3,5 дюйма. В 2007 году Fusion-io анонсировала твердотельный накопитель на базе PCIe со 100 000 операций ввода / вывода в секунду (IOPS) производительности на одной плате с пропускной способностью до 320 гигабайт.
На Cebit 2009 OCZ Technology продемонстрировала 1 Тбайт (ТБ) флэш-SSD с использованием интерфейса PCI Express × 8. Он достиг максимальной скорости записи 654 мегабайта в секунду (МБ / с) и максимальной скорости чтения 712 МБ / с. В декабре 2009 года Micron Technology анонсировала SSD с использованием интерфейса SATA с пропускной способностью 6 гигабит в секунду (Gbit / s).
Корпоративные флешки
Корпоративные флэш-накопители (EFD) предназначены для приложений, требующих высокой производительности ввода-вывода ( IOPS ), надежности, энергоэффективности и, в последнее время, постоянной производительности. В большинстве случаев EFD представляет собой SSD с более высоким набором спецификаций, по сравнению с SSD, которые обычно используются в ноутбуках. Этот термин был впервые использован EMC в январе 2008 года, чтобы помочь им определить производителей твердотельных накопителей, которые будут предоставлять продукты, отвечающие этим более высоким стандартам. Не существует каких-либо органов по стандартизации, которые контролируют определение EFD, поэтому любой производитель SSD может претендовать на выпуск EFD, когда на самом деле продукт может не соответствовать каким-либо конкретным требованиям.
Примером может служить серия дисков Intel DC S3700, представленная в четвертом квартале 2012 года, которая фокусируется на достижении согласованной производительности, области, которая ранее не получала большого внимания, но заявленная Intel была важна для корпоративного рынка. В частности, Intel заявляет, что в устойчивом состоянии накопители S3700 не будут изменять свои IOPS более чем на 10-15% и что 99,9% всех случайных входов / выходов 4 КБ обслуживаются менее чем за 500 мкс.
Другим примером является корпоративная SSD-серия Toshiba PX02SS, анонсированная в 2016 году, которая оптимизирована для использования на серверах и платформах хранения данных, требующих высокой устойчивости от приложений с интенсивной записью, таких как кэширование записи, ускорение ввода-вывода и онлайн-обработка транзакций (OLTP). Серия PX02SS использует интерфейс SAS 12 Гбит / с, оснащен флэш-памятью MLC NAND и обеспечивает скорость записи до 42 000 IOPS, скорость произвольного чтения до 130 000 IOPS и рейтинг выносливости 30 записываемых файлов в день (DWPD).
Архитектура и функциональность
Ключевыми компонентами SSD являются контроллер и память для хранения данных. Первичный компонент памяти в SSD был традиционно энергозависимой памятью DRAM , но с 2009 года она чаще всего является энергонезависимой памятью NAND.
Контроллер
Каждый SSD включает контроллер, который включает в себя электронику, которая соединяет компоненты памяти NAND с главным компьютером. Контроллер представляет собой встроенный процессор, который выполняет код на уровне прошивки и является одним из наиболее важных факторов производительности SSD. Некоторые функции, выполняемые контроллером, включают:
— Плохое отображение блоков
— Чтение и запись кэширования
— Шифрование
— Обнаружение и исправление ошибок с помощью кода коррекции ошибок (ЕСС)
— Удаление мусора
— Чтение ошибок
— Износостойкость
Производительность SSD может масштабироваться с количеством параллельных микросхем NAND, используемых в устройстве. Один чип NAND относительно медленный из-за узкого (8/16 бит) асинхронного интерфейса ввода- вывода и дополнительной высокой задержки основных операций ввода-вывода (типичный для SLC NAND, ~ 25 мкс для извлечения страницы 4 КБ из массив в буфер ввода / вывода на чтение, ~ 250 мкс для фиксации страницы 4 КБ из буфера ввода-вывода в массив при записи, ~ 2 мс для удаления блока 256 КБ). Когда несколько устройств NAND работают параллельно в SSD, ширина полосы пропускания и высокие задержки могут быть скрыты, пока ожидаются достаточно выдающиеся операции, и нагрузка распределяется равномерно между устройствами.
Micron и Intel изначально сделали более быстрые SSD-файлы, реализовав чередование данных (подобно RAID 0 ) и чередование в своей архитектуре. Это позволило создать сверхбыстрые SSD-диски со скоростью чтения / записи 250 Мбит / с с интерфейсом SATA 3 Гбит / с в 2009 году. Два года спустя SandForce продолжала использовать эту параллельную флеш-связь, выпустив потребительскую маркировку SATA 6 Гбит / с SSD-контроллеры, поддерживающие скорость чтения / записи 500 МБ / с. Контроллеры SandForce сжимают данные перед их отправкой во флэш-память. Этот процесс может привести к меньшему количеству записи и большей логической пропускной способности, в зависимости от сжимаемости данных
Сравнение Архитектур
| Коэффицент стойкости | 1 : 10 | 1 : 10 |
| коэффицент последовательной записи | 1 : 3 | 1 : 4 |
| коэффицент последовательного считывания | 1 : 1 | 1 : 5 |
| Ценовой коэффицент | 1 : 1.3 | 1 : 0.7 |
Большинство производителей твердотельных накопителей используют энергонезависимую флэш-память NAND при построении своих твердотельных накопителей из-за более низкой стоимости по сравнению с DRAM и возможностью сохранять данные без постоянного источника питания, обеспечивая постоянство данных при внезапных отключениях питания. SSD-накопители с флэш-памятью медленнее, чем DRAM-решения, а некоторые ранние разработки были еще медленнее, чем жесткие диски после продолжения использования. Эта проблема была решена контроллерами, которые появились в 2009 году и позже.
Решения на основе флэш-памяти, как правило, упакованы в стандартные форм-факторы дисковода (1,8, 2,5 и 3,5 дюйма), но также и в небольших уникальных и компактных макетах, создаваемых малым размером флэш-памяти.
Более дешевые диски обычно используют флэш-память с трехуровневой ячейкой (TLC) или многоуровневой ячейкой (MLC), которая медленнее и менее надежна, чем флэш-память одноуровневой ячейки (SLC). Это может быть смягчено или даже отменено внутренней конструктивной структурой SSD, например, чередованием, изменениями в алгоритмах записи и более высокой степенью избыточности (большей избыточной емкости), с помощью которой уровень износа алгоритмы могут работать.
На основе DRAM
SSD, основанные на энергозависимой памяти, такой как DRAM, характеризуются очень быстрым доступом к данным, обычно менее 10 микросекунд , и используются, в основном, для ускорения приложений, которые в противном случае были бы сдерживаемыми латентностью SSD-накопителей или традиционных жестких дисков.
На твердотельных накопителях на основе DRAM обычно используется либо внутренняя батарея, либо внешний адаптер переменного / постоянного тока и резервные системы хранения, чтобы обеспечить постоянство данных, в то время как питание не подается на привод от внешних источников. Если питание потеряно, батарея обеспечивает питание, в то время как вся информация копируется из оперативной памяти (ОЗУ) в резервное хранилище. Когда питание восстанавливается, информация копируется обратно в ОЗУ из резервного хранилища, а SSD возобновляет нормальную работу (аналогично функции спящего режима, используемой в современных операционных системах).
SSD этого типа обычно оснащены модулями DRAM того же типа, которые используются на обычных ПК и серверах, которые могут быть заменены и заменены более крупными модулями. Например, i-RAM , HyperOs HyperDrive , DDRdrive X1 и т. Д. Некоторые производители твердотельных накопителей DRAM припаивают чипы DRAM непосредственно к приводу и не предполагают, что чипы будут заменены — например, ZeusRAM, Aeon Drive и т. Д.
На удаленном, непрямом диске доступа к памяти (диск RIndMA) используется дополнительный компьютер с быстрым сетевым или (прямым) подключением Infiniband для работы как SSD-накопитель на базе RAM, но новые, более быстрые, основанные на флэш-памяти твердотельные диски, уже доступные в 2009 год делают этот вариант не столь экономичным.
Пока цена DRAM продолжает падать, цена флэш-памяти падает еще быстрее. Спад «Flash становится дешевле, чем DRAM» произошел примерно в 2004 году.
Другие
Некоторые SSD-устройства, называемые устройствами NVDIMM или Hyper DIMM , используют как DRAM, так и флэш-память. Когда питание падает, SSD копирует все данные со своего DRAM во флэш, когда питание возвращается, SSD копирует все данные со своей вспышки на свою DRAM. Несколько аналогичным образом, некоторые SSD используют форм-факторы и шины, фактически предназначенные для модулей DIMM, при использовании только флеш-памяти и заставляют ее выглядеть так, как если бы она была DRAM. Такие SSD обычно известны как ULLtraDIMM- устройства.
Приводы, известные как гибридные приводы или твердотельные гибридные приводы (SSHD), используют гибрид вращающихся дисков и флэш-памяти. Некоторые SSD используют магниторезистивную память произвольного доступа (MRAM) для хранения данных.
В 2015 году Intel и Micron объявили о выпуске 3D XPoint в качестве новой технологии энергонезависимой памяти. Intel планирует выпускать 3D XPoint SSD с интерфейсом PCI Express в 2016 году, который будет работать быстрее и с большей выносливостью, чем твердотельные накопители на базе NAND, в то время как плотная плотность будет сопоставимой по 128 гигабит на чип. По цене за бит 3D XPoint будет дороже, чем NAND, но дешевле DRAM.
Кэш или буфер
SSD на основе флэш-памяти обычно использует небольшое количество DRAM в качестве энергозависимого кеша, похожее на буферы на жестких дисках. Справочник по размещению блоков и данным по выравниванию износа также хранится в кеше во время работы привода. Один производитель контроллеров SSD, SandForce , не использует внешний кэш DRAM для своих проектов, но все же достигает высокой производительности. Такое устранение внешнего DRAM снижает потребляемую мощность и обеспечивает дальнейшее уменьшение размера SSD.
Регулировка износа
Если конкретный блок был запрограммирован и удален несколько раз, не записывая ни на какие другие блоки, этот блок износился бы перед всеми другими блоками, тем самым преждевременно заканчивая срок службы SSD. По этой причине SSD-контроллеры используют метод, называемый выравниванием износа, чтобы распределять записи как можно более равномерно по всем блокам вспышки в SSD.
В идеальном сценарии это позволит каждому блоку записываться до максимальной продолжительности жизни, чтобы все они не срабатывали одновременно. К сожалению, для равномерного распределения записей требуются данные, ранее записанные и не изменяющиеся (холодные данные), которые необходимо перенести, чтобы данные, которые чаще меняются (горячие данные), могут быть записаны в эти блоки. Каждый раз, когда данные перемещаются без изменения хост-системой, это увеличивает усиление записи и, таким образом, сокращает срок службы флэш-памяти. Ключ должен найти оптимальный алгоритм, который максимизирует их оба.
Аккумулятор или суперконденсатор
Другим компонентом в более высокопроизводительных SSD является конденсатор или какая-то батарея, необходимая для обеспечения целостности данных, поэтому данные в кеше могут быть сброшены на привод, когда мощность потеряна, некоторые могут даже удерживать электроэнергию достаточно долго, чтобы поддерживать данные в кэше до возобновления питания. В случае флэш-памяти MLC проблема, вызванная более низким повреждением страницы, может возникать, когда флэш-память MLC теряет мощность при программировании верхней страницы. В результате данные, записанные ранее и предположительно безопасные, могут быть повреждены, если память не поддерживается суперконденсатором в случае внезапной потери мощности. Эта проблема не существует с флэш-памятью SLC.
У большинства твердотельных накопителей потребительского класса нет встроенных батарей или конденсаторов, среди исключений — Crucial серии M500 и MX100, серии Intel 320, и более дорогие серии Intel 710 и 730. SSD-устройства корпоративного класса, такие как серия Intel DC S3700, как правило, имеют встроенные батареи или конденсаторы.
Интерфейс
Интерфейс хоста физически является коннектором с сигнализацией, управляемой контроллером SSD. Это чаще всего один из интерфейсов, найденных на жестких дисках. They include: Они включают:
— Последовательный подключенный SCSI (SAS, 12,0 Гбит / с) — обычно на серверах
— Serial ATA (SATA, 6.0 Гбит / с)
— PCI Express (PCIe, 31,5 Гбит / с)
— Fibre Channel (128 Гбит / с) — почти исключительно на серверах
— USB (10 Гбит / с)
— Параллельный ATA (UDMA, 1064 Мбит / с) — в основном заменен SATA
— (Параллельно) SCSI (> 40 Мбит / с) — обычно на серверах, в основном замененных SAS последний SSD-накопитель на основе SCSI был введен в 2004 году
Конфигурации
Размер и форма любого устройства во многом определяются размером и формой компонентов, используемых для изготовления этого устройства. Традиционные жесткие диски и оптические приводы разработаны вокруг вращающихся пластин ( дисков ) или оптического диска вместе с внутренним мотором шпинделя. Если SSD состоит из различных взаимосвязанных интегральных схем (ИС) и интерфейсного разъема, то его форма больше не ограничивается формой вращающихся носителей. Некоторые твердотельные системы хранения данных поставляются в более крупном корпусе, который может быть даже в форм-факторе в стойке с многочисленными SSD внутри. Все они будут подключаться к общей шине внутри шасси и подключаться за пределы коробки с помощью одного разъема.
Для общего использования компьютера наиболее популярным является 2,5-дюймовый форм-фактор (как правило, в ноутбуках). Для настольных компьютеров с 3,5-дюймовыми гнездами для жестких дисков можно использовать простую пластину адаптера, чтобы сделать такой привод подходящим. Другие типы форм-факторов более распространены в корпоративных приложениях. SSD также может быть полностью интегрирован в другие схемы устройства, как в Apple MacBook Air (начиная с осени 2010 года). Начиная с 2014 года, форм-факторы mSATA и M.2 также набирают популярность, прежде всего в ноутбуках.
Стандартные форматы жестких дисков
Преимущество использования текущего форм-фактора жесткого диска будет заключаться в использовании расширенной инфраструктуры, которая уже установлена для подключения и подключения дисков к хост-системе. Эти традиционные форм-факторы известны по размеру вращающихся сред, например, 5,25 дюйма, 3,5 дюйма, 2,5 дюйма, 1,8 дюйма, а не по размерам корпуса привода.
Стандартные форматы накопителей
Для приложений, где пространство стоит на премиум-уровне, например, для ультрабуков или планшетных компьютеров , для компактных твердотельных накопителей на основе флэш-памяти были стандартизованы несколько компактных форм-факторов.
Существует форм-фактор mSATA, который использует физическую компоновку PCI Express Mini Card . Он остается электрически совместимым с спецификацией интерфейса PCI Express Mini Card, требуя дополнительного подключения к хост-контроллеру SATA через тот же разъем.
Форм-фактор M.2 , ранее известный как Форм-фактор следующего поколения (NGFF), является естественным переходом от mSATA и физической компоновки, которую он использовал, к более удобному и более продвинутому форм-фактору. В то время как mSATA воспользовалась существующим форм-фактором и соединителем, M.2 был разработан для максимального использования пространства в кармане, при этом минимизируя след. Стандарт M.2 позволяет устанавливать SSD SATA и PCI Express на модули M.2.
Модульные форматы
Диск-на-модуле ( DOM ) является флеш-накопителем с интерфейсом параллельного интерфейса ATA (PATA) или SATA с 40/44-контактным интерфейсом, предназначенным для непосредственного подключения к материнской плате и используемого в качестве жесткого диска на жестком диске компьютера (HDD). Устройства DOM эмулируют традиционный жесткий диск, в результате чего нет необходимости в специальных драйверах или другой конкретной поддержке операционной системы. DOM обычно используются во встроенных системах , которые часто развертываются в суровых условиях, где механические жесткие диски просто терпят неудачу или у тонких клиентов из-за небольшого размера, низкого энергопотребления и бесшумной работы.
По состоянию на 2016 год емкость хранилища варьируется от 64 ГБ до 128 ГБ с различными вариантами физических макетов, включая вертикальную или горизонтальную ориентацию.
Коробочные форм-факторы
Многие из решений на базе DRAM используют ящик, который часто предназначен для установки в стойку. Количество компонентов DRAM, необходимых для получения достаточной емкости для хранения данных вместе с резервными источниками питания, требует большего пространства, чем традиционные форм-факторы жесткого диска.
Форм-факторы, которые были более распространены для модулей памяти, теперь используются твердотельными накопителями, чтобы воспользоваться их гибкостью при компоновке компонентов. Некоторые из них включают PCIe , mini PCIe , mini-DIMM , MO-297 и многие другие. SATADIMM от Viking Technology использует пустой DDR3 DIMM слот на материнской плате, чтобы обеспечить питание SSD с помощью отдельного разъема SATA, чтобы обеспечить подключение данных к компьютеру. В результате получается простой в установке SSD с емкостью, равной дискам, которые обычно занимают полный 2,5-дюймовый отсек. Как минимум один производитель, Innodisk , выпустил привод, который находится непосредственно на разъеме SATA (SATADOM) на материнской плате без необходимости использования силового кабеля. Некоторые SSD основаны на форм-факторе PCIe и подключают как интерфейс данных, так и питание через разъем PCIe к хосту. Эти накопители могут использовать либо прямые контроллеры PCIe flash, либо мостовое устройство PCIe-SATA, которое затем подключается к контроллерам SATA-вспышки.
Форм-факторы, которые были более распространены для модулей памяти, теперь используются твердотельными накопителями, чтобы воспользоваться их гибкостью при компоновке компонентов. Некоторые из них включают PCIe , mini PCIe , mini-DIMM , MO-297 и многие другие. SATADIMM от Viking Technology использует пустой DDR3 DIMM слот на материнской плате, чтобы обеспечить питание SSD с помощью отдельного разъема SATA, чтобы обеспечить подключение данных к компьютеру. В результате получается простой в установке SSD с емкостью, равной дискам, которые обычно занимают полный 2,5-дюймовый отсек. Как минимум один производитель, Innodisk , выпустил привод, который находится непосредственно на разъеме SATA (SATADOM) на материнской плате без необходимости использования силового кабеля. Некоторые SSD основаны на форм-факторе PCIe и подключают как интерфейс данных, так и питание через разъем PCIe к хосту. Эти накопители могут использовать либо прямые контроллеры PCIe flash, либо мостовое устройство PCIe-SATA, которое затем подключается к контроллерам SATA-вспышки.
Шаблоны массива форм-факторов
В начале 2000-х годов несколько компаний представили твердотельные диски в формфакторе Ball Grid Array (BGA), такие как DiskOnChip и Silicon Storage Technology NANDrive от Greenliant Systems и M1000 Memoright для использования во встроенных системах. Основными преимуществами твердотельных накопителей BGA являются их низкое энергопотребление, небольшой размер пакета микросхем для установки в компактные подсистемы, и что они могут быть спаяны непосредственно на системной материнской плате, чтобы уменьшить неблагоприятные последствия вибрации и шока.
Сравнение с другими технологиями
Жесткие диски
Сделать сравнение между SSD и обычными (вращающимися) жесткими дисками сложно. Традиционные тесты SSD имеют тенденцию сосредотачиваться на характеристиках производительности, которые являются плохими с жесткими дисками, такими как вращательная латентность и время поиска. Поскольку SSD не нужно вращаться или искать данные, они могут оказаться значительно превосходящими жесткие диски в таких тестах. Однако у SSD есть проблемы со смешанными чтениями и записью, и их производительность может со временем ухудшиться. SSD-тестирование должно начинаться с полного (в использовании) полного диска, так как новый и пустой (свежий, готовый) привод может иметь гораздо лучшую производительность записи, чем это будет показано после нескольких недель использования.
Большинство преимуществ твердотельных накопителей по сравнению с традиционными жесткими дисками обусловлены их возможностью доступа к данным полностью в электронном виде, а не электромеханически, что приводит к превосходным скоростям передачи и механической прочности. С другой стороны, жесткие диски предлагают значительно более высокую емкость по цене.
Частота отказов полей показывает, что SSD значительно надежнее, чем жесткие диски. Однако SSD однозначно чувствительны к внезапному прерыванию питания, что приводит к прерванной записи или даже к случаям полной потери привода. Надежность обоих жестких дисков и твердотельных накопителей сильно различается среди моделей.
Как и в случае с жесткими дисками, существует разница между стоимостью и производительностью различных твердотельных накопителей. Одноуровневые ячейки (SLC) SSD, хотя и значительно дороже, чем многоуровневые (MLC) SSD, предлагают значительное преимущество в скорости. В то же время твердотельное хранилище на основе DRAM в настоящее время считается самым быстрым и дорогостоящим, со средним временем отклика 10 микросекунд вместо средних 100 микросекунд других твердотельных накопителей. Корпоративные флэш-устройства (EFD) предназначены для удовлетворения требований приложения уровня 1 с временем работы и отклика, аналогичным менее дорогостоящим SSD.
В традиционных жестких дисках повторно записанный файл обычно занимает одно и то же место на поверхности диска в качестве исходного файла, тогда как в SSD новая копия часто записывается в разные ячейки NAND с целью выравнивания износа. Алгоритмы выравнивания износа сложны и трудны для тестирования исчерпывающе. В результате одной из основных причин потери данных в SSD являются ошибки встроенного ПО.
В следующей таблице представлен подробный обзор преимуществ и недостатков обеих технологий. Сравнение отражает типичные характеристики и может не соответствовать определенному устройству.
| Надежность хранения данных | Если их оставить без питания, изношенные твердотельные накопители обычно начинают терять данные примерно через один-два года при хранении, в зависимости от температуры. Предполагается, что новые накопители будут хранить данные в течение примерно десяти лет. SSD не подходят для архивного использования. | При хранении в сухой среде при низкой температуре жесткие диски могут сохранять свои данные в течение очень длительного периода времени даже без питания. Тем не менее, механические части, как правило, сокрушаются с течением времени, и привод не может размножаться через несколько лет при хранении. |
| Время запуска | Почти мгновенно, нет механических компонентов для подготовки. Может потребоваться несколько миллисекунд, чтобы выйти из автоматического режима энергосбережения. | Раскрутка привода может занять несколько секунд. Системе со многими дисками может потребоваться разворот спина, чтобы ограничить пиковую мощность, что на короткое время при первом запуске жесткого диска. |
| Случайное время доступа | Обычно составляет менее 0,1 мс. Поскольку данные могут быть получены непосредственно из разных мест флэш-памяти, время доступа обычно не является большим узким местом производительности. | Диапазон от 2,9 (высокопроизводительный серверный диск) до 12 мс (жесткий диск для ноутбука) из-за необходимости перемещать головки и ждать, пока данные будут вращаться под головкой чтения / записи. |
| Время ожидания чтения | Обычно низкий, потому что данные могут быть прочитаны непосредственно из любого места. В приложениях, где искажения на жестком диске являются ограничивающим фактором, это приводит к более быстрой загрузке и времени запуска приложения (см . Закон Амдаля ). | Гораздо выше SSD. Время чтения различно для каждого поиска, так как расположение данных и расположение головки, вероятно, различны. |
| Скорость передачи данных | Технология SSD может обеспечить довольно постоянную скорость чтения / записи, но когда доступно несколько отдельных небольших блоков, производительность снижается. В потребительских товарах максимальная скорость передачи обычно составляет от 200 МБ / с до 2500 МБ / с, в зависимости от привода. Рынок предприятия предлагает устройства с пропускной способностью в несколько гигабайт в секунду. | Как только головка расположена, при чтении или записи непрерывной дорожки, современный жесткий диск может передавать данные со скоростью около 200 МБ / с. На практике скорость передачи во много раз меньше из-за постоянного поиска, поскольку файлы считываются из разных мест или они фрагментированы. Скорость передачи данных зависит также от скорости вращения, которая может колебаться от 3600 до 15 000 об / мин, а также от дорожки (чтение с внешних дорожек происходит быстрее). |
| Производительность чтения | Производительность чтения не изменяется в зависимости от того, где хранятся данные на SSD. В отличие от механических жестких дисков современная технология SSD страдает от явления деградации производительности, называемого усилением записи , где ячейки NAND показывают заметное снижение производительности и будут продолжать ухудшаться в течение всего срока службы SSD. Для смягчения этого эффекта применяется техника, называемая выравниванием износа , но из-за природы чипов NAND диск неизбежно ухудшается с заметной скоростью. | Если необходимо получить доступ к данным из разных областей планшета, как и фрагментированные файлы, время отклика будет увеличиваться за счет необходимости поиска каждого фрагмента. |
| Влияние фрагментации файловой системы | Существует ограниченная польза для считывания данных последовательно (за пределами типовых размеров блоков FS, скажем, 4 КБ), что делает фрагментацию незначительной для SSD. Дефрагментация может привести к износу, сделав дополнительную запись флеш-камер NAND, которые имеют ограниченный цикл жизни. Однако даже на SSD существует практическое ограничение на то, сколько фрагментации могут поддерживать определенные файловые системы. как только этот предел будет достигнут, последующие сбои файлов не удастся. Следовательно, дефрагментация может по-прежнему необходима, хотя и в меньшей степени. | Некоторые файловые системы, такие как NTFS , становятся фрагментированными с течением времени, если их часто пишут, для поддержания оптимальной производительности требуется периодическая дефрагментация. Это обычно не проблема в современных файловых системах. |
| Шум (акустический) | SSD не имеют движущихся частей и поэтому в основном молчат, хотя на некоторых SSD может возникать высокий уровень шума от генератора высокого напряжения (для стирания блоков). | Жесткие диски имеют подвижные части ( головки , привод и двигатель шпинделя ) и создают характерные звуки жужжания и щелчка. Уровни шума различаются между моделями, но могут быть значительными (хотя часто намного ниже, чем звук от охлаждающих вентиляторов). Жесткие диски для ноутбуков относительно тихие. |
| Контроль температуры | Исследование, проведенное Facebook, показало постоянную частоту отказов при температуре от 30 до 40 ° C. Скорость отказов повышается при работе при температуре выше 40 ° C, дальнейшее повышение температуры может вызвать термическое дросселирование около 70 ° C, что приводит к снижению производительности во время работы. Надежность ранних твердотельных накопителей без теплового дросселирования в большей степени зависит от температуры, чем более новые с термическим дросселированием. На практике SSD обычно не требуют специального охлаждения и могут выдерживать более высокие температуры, чем жесткие диски. Высокопроизводительные корпоративные модели, установленные в виде дополнительных карт или 2,5-дюймовых отсечных устройств, могут поставляться с радиаторами для рассеивания генерируемого тепла, что требует определенных объемов воздушного потока. | Температура окружающей среды выше 35 ° C (95 ° F) может сократить срок службы жесткого диска, а надежность будет скомпрометирована при температурах при температуре выше 55 ° C (131 ° F). Возможно охлаждение вентилятора, если температура в противном случае превысит эти значения. На практике современные жесткие диски могут использоваться без особых условий для охлаждения. |
| Самая низкая рабочая температура | SSD могут работать при температуре -55 ° C (-67 ° F). | Большинство современных жестких дисков могут работать при 0 ° C (32 ° F). |
| Наивысшая высота при работе | У SSD нет никаких проблем. | Жесткие диски могут безопасно работать на высоте не более 3000 метров (10 000 футов). Жесткие диски не смогут работать на высоте более 12 000 метров (40 000 футов). С введением забитых азотом жестких дисков, это, как ожидается, будет менее проблематичным. |
| Переход от холодной среды к более теплой среде | У SSD нет никаких проблем. | Определенное количество времени акклиматизации необходимо при перемещении жестких дисков из холодной среды в более теплую среду до ее эксплуатации; в противном случае произойдет внутренняя конденсация, и немедленное ее немедленное действие приведет к повреждению внутренних компонентов. |
| Дыхательное отверстие | Для твердотельных накопителей не требуется дырокол. | Для большинства современных жестких дисков требуется дырявое отверстие, чтобы оно функционировало должным образом. |
| Восприимчивость к факторам окружающей среды | Нет движущихся частей, очень устойчивых к ударам , вибрации и движения. | Головки, плавающие над быстро вращающимися пластинами, подвержены ударам, вибрации и движениям. |
| Установка и монтаж | Нечувствителен к ориентации, вибрации или ударам. Обычно нет открытой схемы. | Схема может быть открыта и не должна быть коротко замкнута проводящими материалами (например, металлическим корпусом компьютера). Должна быть установлена для защиты от вибрации и ударов. Некоторые жесткие диски не должны устанавливаться в наклонном положении. |
| Восприимчивость к магнитным полям | Низкое влияние на флэш-память, но электромагнитный импульс повредит любую электрическую систему, особенно интегральные схемы. | В общем, магниты или магнитные волны могут привести к повреждению данных или механическому повреждению внутренних частей привода. Металлический корпус привода обеспечивает низкий уровень экранирования магнитных пластин. |
| Вес и размер | SSD, в основном полупроводниковые устройства памяти, установленные на плате, небольшие и легкие. Они часто следуют тем же форм-факторам, что и жесткие диски (2,5 дюйма или 1,8 дюйма), но корпуса изготовлены в основном из пластика. | Жесткие диски обычно тяжелее SSD, так как корпуса изготовлены в основном из металла и содержат тяжелые предметы, такие как двигатели и большие магниты. 3,5-дюймовые диски обычно весит около 700 граммов. |
| Надежность и срок службы | У SSD нет механических механических повреждений. Каждый блок SSD на основе флэш-памяти может быть удален только (и, следовательно, записан) ограниченным числом раз, прежде чем он завершится с ошибкой. Контроллеры управляют этим ограничением, так что накопители могут работать в течение многих лет при нормальном использовании. SSD на основе DRAM не имеют ограниченного числа записей. Однако отказ контроллера может сделать SSD непригодным. Надежность значительно различается у разных производителей и моделей SSD с коэффициентами возврата, достигающими 40% для конкретных дисков. По состоянию на 2011 год ведущие SSD имеют более низкую скорость возврата, чем механические приводы.ьМногие SSD критически терпят неудачу при отключении электроэнергии; опрос многих SSD в декабре 2013 года показал, что только некоторые из них способны выдержать многочисленные отключения электроэнергии. | Жесткие диски имеют подвижные детали и подвержены потенциальным механическим отказам от возникающего износа . Сама среда хранения (магнитная пластина) существенно не ухудшается от операций чтения и записи. Согласно исследованию, проведенному Университетом Карнеги-Меллона как для жестких дисков для потребителей, так и для предприятий, их средний показатель отказов составляет 6 лет, а ожидаемая продолжительность жизни — 9-11 лет. Ведущие SSD превысили жесткие диски для надежности, однако риск внезапной катастрофической потери данных может быть ниже для жестких дисков. При хранении в автономном режиме (без питания в полке) в течение длительного времени магнитный носитель HDD сохраняет данные значительно дольше, чем флэш-память, используемая в SSD. |
| Безопасные ограничения записи | Флэш-память NAND не может быть перезаписана, но ее необходимо переписать на ранее удаленные блоки. Если программа шифрования программного обеспечения шифрует данные уже на SSD, перезаписанные данные по-прежнему остаются незащищенными, незашифрованными и доступными (аппаратное шифрование на основе дисков не имеет этой проблемы). Кроме того, данные не могут быть надежно удалены путем перезаписывания исходного файла без специальных процедур «Безопасное удаление», встроенных в накопитель. | Жесткие диски могут перезаписывать данные непосредственно на диске в любом конкретном секторе. Тем не менее, прошивка накопителя может обменивать поврежденные блоки с запасными зонами, поэтому биты и куски все еще могут присутствовать. Некоторые жесткие диски производителей заполняют весь диск нулями, в том числе перемещенными секторами, в команде ATA Secure Erase Enhanced Erase. |
| Цена за единицу | Цена SSD по первому кварталу 2018 года составляет около 30 центов (США) за гигабайт на основе моделей 4 ТБ. Цены, как правило, снижаются ежегодно, и ожидается, что 2018 год продолжится. | Цена на HDD по состоянию на первый квартал 2018 года составляет от 2 до 3 центов (США) за гигабайт на основе моделей 1 ТБ. Цены, как правило, снижаются ежегодно, и ожидается, что 2018 год продолжится. |
| Объем | В 2016 году SSD были доступны в размерах до 60 ТБ, но менее дорогостоящие модели от 120 до 512 ГБ были более распространены. | В 2016 году были доступны жесткие диски емкостью до 14 ТБ. |
| Симметрия производительности чтения / записи | Менее дорогие SSD обычно имеют скорость записи значительно ниже скорости чтения. Более производительные SSD имеют одинаковые скорости чтения и записи. | Жесткие диски обычно имеют немного более длинные (худшие) времена поиска для записи, чем для чтения. |
| Доступность свободного блока и TRIM | Производительность записи SSD значительно зависит от наличия свободных программируемых блоков. Ранее написанные блоки данных, которые больше не используются, могут быть восстановлены TRIM ; однако, даже с TRIM, меньшее количество свободных блоков вызывают более низкую производительность. | На жесткие диски не влияют свободные блоки и не извлекают выгоду из TRIM. |
| Потребляемая мощность | Для высокопроизводительных твердотельных накопителей на основе флеш-памяти обычно требуется от половины до 1/3 мощности жестких дисков. Высокопроизводительные твердотельные накопители DRAM обычно требуют такой мощности, как жесткие диски, и должны быть подключены к источнику питания, даже если остальная часть системы отключена. Новые технологии, такие как DevSlp, могут свести к минимуму требования к питанию на холостых дисках. | Жесткие диски с наименьшей мощностью (1,8-дюймовый размер) могут использовать всего 0,35 Вт в режиме ожидания. 2,5-дюймовые диски обычно используют от 2 до 5 Вт. Высокопроизводительные 3,5-дюймовые диски могут использовать до 20 ватт. |
| Максимальная плотность хранения (Terabits на квадратный дюйм) | 2.8 | 1.5 |
Карты памяти
Хотя на обеих картах памяти и большинстве SSD используется флэш-память, они служат для разных рынков и целей. Каждый из них имеет несколько различных атрибутов, которые оптимизированы и приспособлены для наилучшего удовлетворения потребностей конкретных пользователей. Некоторые из этих характеристик включают потребление энергии, производительность, размер и надежность.
SSD были первоначально разработаны для использования в компьютерной системе. Первые устройства предназначались для замены или увеличения жестких дисков, поэтому операционная система распознала их как жесткий диск. Первоначально твердотельные диски были даже сформированы и смонтированы на компьютере, например, на жестких дисках. Позже SSD стали меньше и компактнее, в конечном итоге развивая свои собственные уникальные форм-факторы, такие как форм-фактор M.2 . SSD был разработан для постоянной установки внутри компьютера.
Напротив, карты памяти (такие как Secure Digital (SD), CompactFlash (CF) и многие другие) первоначально были предназначены для цифровых камер, а затем нашли свой путь в сотовые телефоны, игровые устройства, GPS-устройства и т. Д. Большинство карт памяти физически меньше, чем SSD, и предназначены для повторного ввода и удаления. Существуют адаптеры, которые позволяют некоторым картам памяти взаимодействовать с компьютером, что позволяет использовать их в качестве SSD, но они не предназначены для основного устройства хранения данных на компьютере. Типичный интерфейс карты CompactFlash в три-четыре раза медленнее, чем SSD. Поскольку карты памяти не предназначены для того, чтобы выдерживать объем чтения и записи, который возникает при типичном использовании компьютера, их данные могут быть повреждены, если не будут приняты специальные процедуры для снижения износа карты до минимума.
Ошибки SSD
У SSD есть очень разные режимы отказа, чем у традиционных магнитных жестких дисков. Из-за своей конструкции некоторые виды сбоев неприменимы (двигатели не могут изнашиваться или магнитные головки не работают, потому что они не нужны в SSD). Вместо этого возможны другие виды сбоев (например, неполные или неудачные записи из-за внезапного сбоя питания могут быть более сложными, чем с жесткими дисками, и если чип не работает, все данные на нем теряются, сценарий, не применимый к магнитные приводы). Тем не менее, в целом статистика показывает, что твердотельные накопители, как правило, являются высоконадежными и часто продолжают работать намного дальше ожидаемого срока службы, как указано их изготовителем.
SSD режимы надежности и отказов
Ранний тест Techreport.com, который работал в течение 18 месяцев в течение 2013-2015 годов, ранее проверил несколько SSD на уничтожение, чтобы определить, как и в какой момент они потерпели неудачу; тест показал, что «все диски превысили свои официальные спецификации на выносливость, написав сотни терабайт без проблем», описанный как далеко превосходящий обычный размер для «типичного потребителя». Первым отказом SSD был диск на основе TLC — тип дизайна, который, как ожидается, будет менее долговечным, чем SLC или MLC, — и перед SSD удалось записать более 800 000 ГБ (800 ТБ или 0,8 петабайт ) до сбоя; три SSD в тесте удалось записать почти в три раза больше (почти 2,5 PB), прежде чем они также потерпели неудачу. Таким образом, возможность даже надежных SSD-накопителей для потребителей была уже установлена.
Исследование, проведенное в 2016 году «миллионы дней езды» в производстве, используемое SSD за шестилетний период, показало, что SSD отказываются «значительно ниже», чем жесткие диски, но имеют потенциал для локализованных потерь данных из-за того, что нечитаемые блоки больше проблемы, чем с жесткими дисками. Он пришел к ряду «неожиданных выводов»:
— В реальном мире конструкции на основе MLC, которые считаются менее надежными, чем конструкции SLC , часто бывают надежными, как SLC. (Полученные данные показывают, что «SLC (обычно) не является более надежным, чем MLC»)
— Возраст устройства, измеряемый по дням в использовании, является основным фактором надежности SSD, а не количеством прочитанных или записанных данных. Поскольку это обнаружение сохраняется после контроля за ранней неудачей и другими факторами, вполне вероятно, что причиной такой тенденции являются такие факторы, как «старение кремния». Корреляция значительна (около 0,2-0,4).
— Частота ошибок в исходном бите (RBER) растет намного медленнее, чем обычно считается, и не является экспоненциальной, как часто предполагалось, и не является хорошим предиктором других ошибок или сбоев SSD.
— Неисправляемый коэффициент ошибок в битах (UBER) широко используется, но также не является хорошим предиктором отказа. Однако ставки SSD UBER выше, чем у жестких дисков, поэтому, хотя они не прогнозируют сбой, они могут привести к потере данных из-за того, что нечитаемые блоки чаще встречаются на SSD, чем жесткие диски. В заключении говорится, что, хотя более надежный в целом, скорость нескорректируемых ошибок, способных воздействовать на пользователя, больше.
— «Плохие блоки в новых SSD являются общими, и диски с большим количеством плохих блоков с большей вероятностью потеряют сотни других блоков, скорее всего, из-за отказа кристалла или чипа. 30-80 процентов SSD разрабатывают хотя бы один плохой блок и 2-7 процентов разрабатывают по крайней мере один плохой чип за первые четыре года развертывания ».
— Нет резкого увеличения ошибок после достижения ожидаемого срока службы.
— Большинство SSD разрабатывают не более нескольких плохих блоков, возможно, 2 — 4. SSD, которые разрабатывают много плохих блоков, часто развиваются гораздо больше (возможно, сотни) и могут быть склонны к сбою. Однако большинство приводов (99% +) поставляются с плохими блоками из производства. Обнаружение в целом состояло в том, что плохие блоки являются общими, и 30-80% дисков будут разрабатывать, по крайней мере, один из них, но даже несколько плохих блоков (2 — 4) являются предиктором до сотни плохих блоков в более позднее время. Плохое количество блоков при изготовлении коррелирует с последующим развитием дальнейших плохих блоков. В заключении отчета добавлено, что твердотельные накопители имеют либо «меньше, чем несколько» плохих блоков, либо «большое количество», и предположили, что это может быть основой для прогнозирования возможного отказа.
— Около 2-7% SSD разработают плохие фишки в первые 4 года использования. Более 2/3 этих чипов будут нарушать допуски и спецификации своих производителей, которые обычно гарантируют, что не более 2% блоков на чипе не удастся в течение ожидаемого срока его записи.
— 96% тех твердотельных накопителей, которые нуждаются в ремонте (гарантийное обслуживание), нуждаются в ремонте только один раз в жизни. Дни между ремонтами варьируются от «пары тысяч дней» до «почти 15 000 дней» в зависимости от модели.
Восставновление данных и безопасное удаление
Твердотельные накопители создают новые проблемы для компаний по восстановлению данных , поскольку способ хранения данных нелинейный и гораздо более сложный, чем жесткий диск. Стратегия, в которой привод работает внутри, может в значительной степени различаться между производителями, а команда TRIM обнуляет весь диапазон удаленного файла. Изначальное выравнивание также означает, что физический адрес данных и адрес, подвергаемый операционной системе, различны.
Что касается безопасного удаления данных, можно использовать команду ATA Secure Erase. Для этой цели можно использовать такую программу, как hdparm.
Выносливость
Ассоциация твердотельных технологий JEDEC (JEDEC) опубликовала стандарты для показателей надежности:
— Коэффициент ошибок без ошибок (UBER)
— Терабайты (TBW) — количество терабайт, которые могут быть записаны на диск в рамках гарантии.
— Drive Writes Per Day (DWPD) — количество раз, когда общая емкость накопителя может быть записана в день в рамках гарантии.
Устройства
До 2009 года, SSDs в основном использовались в тех аспектах критически важных приложений, где скорость системы хранения должна быть как можно выше. Поскольку флэш-память стала общим компонентом твердотельных накопителей, снижение цен и увеличение плотности сделали его более рентабельным для многих других приложений. Организации, которые могут извлечь выгоду из более быстрого доступа к системным данным, включают в себя компании по торговле акциями , телекоммуникационные корпорации, а также потоковые медиа и редакционные фирмы. Список приложений, которые могут извлечь выгоду из более быстрого хранения, огромен.
Твердотельные накопители на основе флэш-памяти могут использоваться для создания сетевых устройств с аппаратного обеспечения персонального компьютера общего назначения . Защищен от записи флэш — диск , содержащий операционную систему и прикладное программное обеспечение может заменить более крупными, менее надежных жестких дисков или CD-ROM. Приборы, построенные таким образом, могут обеспечить недорогую альтернативу дорогостоящему оборудованию маршрутизатора и брандмауэра.
SSD, основанные на SD-карте с операционной системой SD , легко блокируются при записи . В сочетании с облачной вычислительной средой или другим записываемым носителем, чтобы поддерживать постоянство , ОС, загружаемая с SD-карты с записью, является надежной, надежной, надежной и невосприимчивой к постоянной коррупции. Если работающая ОС ухудшается, просто выключая машину, а затем возвращая ее обратно в исходное неповрежденное состояние, и, таким образом, она особенно прочная. Установленная на SD-карте ОС не требует удаления поврежденных компонентов, поскольку она была заблокирована при записи, хотя может потребоваться восстановление любого письменного носителя.
Кэширование жестких дисков
В 2011 году Intel представила механизм кэширования для их Z68 чипсет (и мобильные производные) под названием Умная технология Response , которая позволяет SATA SSD для использования в качестве кэш — памяти (настраивается в качестве сквозной записи или обратной записью ) для обычного, жесткий магнитный дисковод. Подобная технология доступна на плате HighPoint RocketHybrid PCIe.
Твердотельные гибридные приводы (SSHD) основаны на том же принципе, но интегрируют некоторое количество флэш-памяти на борту обычного накопителя вместо использования отдельного SSD. Слой вспышки в этих дисках можно получить независимо от магнитной памяти хостом, используя команды ATA-8 , позволяя операционной системе управлять им. Например, технология ReadyDrive от Microsoft явно хранит части файла гибернации в кеше этих дисков, когда система переходит в спящий режим, что делает последующее возобновление быстрее.
Двухдисковые гибридные системы объединяют использование отдельных SSD и HDD устройств, установленных на одном компьютере, с общей оптимизацией производительности, управляемой пользователем компьютера, или программным обеспечением операционной системы компьютера. Примерами такого типа системы являются bcache и dm-cache для Linux, и Apple Fusion Drive .
Поддержка файловой системы для твердотельных накопителей
Как правило, те же файловые системы, которые используются на жестких дисках, также могут использоваться на твердотельных дисках. Обычно ожидается, что файловая система будет поддерживать команду TRIM, которая помогает SSD перерабатывать отброшенные данные (поддержка TRIM прибыла через несколько лет после SSD, но теперь почти универсальна). Это означает, что файловой системе не требуется управлять уровнем износа или другими характеристиками флэш-памяти, поскольку они обрабатываются SSD внутренне. Некоторые флэш-файловые системы, использующие логические схемы ( F2FS , JFFS2 ), помогают уменьшить усиление записи на SSD, особенно в ситуациях, когда изменяются только очень маленькие объемы данных, например, при обновленииметаданные файловой системы .
Хотя они не являются файловой системой, операционные системы должны также стремиться правильно выравнивать разделы , что позволяет избежать чрезмерных циклов чтения-модификации-записи . Типичная практика для персональных компьютеров состоит в том, чтобы каждый раздел выровнялся с отметкой 1 МБ (= 1 048 576 байт), которая охватывает все распространенные сценарии SSD и размер блоков, поскольку она делится на все обычно используемые размеры — 1 МБ, 512 KB, 128 КБ, 4 КБ и 512 байт. Современное программное обеспечение для установки операционной системы и дисковые инструменты обрабатывают это автоматически.
Linux
Ext4 , Btrfs , XFS , JFS и f2fs файловые системы включают поддержку отбрасывания ( TRIM или Unmap ) функции. По состоянию на ноябрь 2013 года, ext4 можно рекомендовать в качестве безопасного выбора. F2FS — это современная файловая система, оптимизированная для хранения на основе флеш-памяти, и с технической точки зрения это очень хороший выбор, но все еще находится на экспериментальной стадии.
Поддержка ядра для операции TRIM была введена в версии 2.6.33 основной линии Linux, выпущенной 24 февраля 2010 года. Чтобы использовать ее, файловая система должна быть смонтирована с использованием discardпараметра. Linux своп разделы являются по умолчанию выполнения операций выбросьте , когда основной привод поддерживает TRIM, с возможностью отключить их, или , чтобы выбрать между разовым или непрерывными операциями выбросьте. Поддержка в очереди TRIM, которая является функцией SATA 3.1, которая выводит команды TRIM, не нарушая очереди команд, была представлена в ядре Linux 3.12, выпущенном 2 ноября 2013 года.
Альтернативой операции TRIM на уровне ядра является использование утилиты user-space с именем fstrim, которая проходит через все неиспользуемые блоки в файловой системе и отправляет команды TRIM для этих областей. Утилита fstrim обычно запускается cron в качестве запланированной задачи. По состоянию на ноябрь 2013 года [обновление] он используется дистрибутивом Ubuntu Linux , в котором он включен только для твердотельных накопителей Intel и Samsung по соображениям надежности; проверку поставщика можно отключить, отредактировав файл /etc/cron.weekly/fstrim, используя инструкции, содержащиеся в самом файле.
С 2010 года стандартные утилиты для Linux-накопителей по умолчанию по-разному заботятся о выравнивании разделов.
Во время установки дистрибутивы Linux обычно не настраивают установленную систему на использование TRIM, и поэтому /etc/fstabфайл требует ручных модификаций. [168] Это связано с тем, что текущая реализация команды TRIM для Linux может оказаться не оптимальной. [169] Было доказано, что при определенных обстоятельствах повышается производительность, а не увеличивается производительность. [170] [171] Начиная с января 2014 года [обновление] , Linux отправляет отдельную команду TRIM в каждый сектор, а не в векторный список, определяющий диапазон TRIM, как рекомендовано спецификацией TRIM. [172] Этот дефицит существует уже много лет, и нет никаких известных планов его устранения.
По соображениям производительности рекомендуется переключить планировщик ввода-вывода из стандартного CFQ (полностью честная очередь) на NOOP или конечный срок . CFQ был разработан для традиционных магнитных носителей и ищет оптимизацию, поэтому многие из этих задач планирования ввода-вывода теряются при использовании с SSD. В рамках своих проектов SSD предлагают гораздо больший уровень параллелизма для операций ввода-вывода, поэтому предпочтительнее оставлять решения по планированию своей внутренней логике, особенно для высокопроизводительных твердотельных накопителей.
Масштабируемый блочный уровень для высокопроизводительного хранилища SSD, известный как blk-multiqueue или blk-mq и разработанный в основном инженерами Fusion-io , был объединен с основной линией Linux в версии ядра 3.13, выпущенной 19 января 2014 года. Это производительность, предлагаемая SSD и NVM Express , позволяя значительно повысить скорость ввода-вывода. Благодаря этому новому дизайну блочного уровня ядра Linux внутренние очереди разбиваются на два уровня (для каждого процессора и очереди аппаратного обеспечения), тем самым устраняя узкие места и позволяя значительно более высокие уровни параллелизации ввода-вывода. Начиная с версии 4.0 ядра Linux, выпущенной 12 апреля 2015 года, драйвер блока VirtIO , SCSI(который используется драйверами Serial ATA), картой каркаса устройства, драйвером устройства контура, драйвером несортированных блоков (UBI) (который реализует уровень управления блоком стирания для устройств с флэш-памятью) и драйвером RBD (который экспортирует объекты Ceph RADOS в качестве блоков устройств ) были изменены для фактического использования этого нового интерфейса; другие драйверы будут перенесены в следующие версии.
OS X
OS X версии с 10.6.8 (Snow Leopard) поддерживают TRIM, но только при использовании с приобретенным Apple SSD. TRIM не поддерживается автоматически для сторонних дисков, хотя его можно включить с помощью сторонних утилит, таких как Trim Enabler. Статус TRIM можно проверить в приложении «Информация о системе» или в system_profilerинструменте командной строки.
OS X версии 10.11 (El Capitan) и 10.10.4 (Yosemite) включают sudo trimforce enableв себя команду терминала, которая позволяет использовать TRIM для не-Apple SSD. Существует также метод, позволяющий TRIM в версиях OS X раньше, чем 10.6.8, хотя остается неопределенным, действительно ли TRIM действительно используется в этих случаях должным образом.
Microsoft Windows
Версии Microsoft Windows до 7 не принимают никаких специальных мер для поддержки твердотельных дисков. Начиная с Windows 7, стандартная файловая система NTFS обеспечивает поддержку TRIM (другие файловые системы в Windows не поддерживают TRIM
По умолчанию Windows 7 и более новые версии автоматически выполняют команды TRIM, если устройство обнаружено как твердотельный диск. Чтобы изменить это поведение, в ключе реестра HKEY_LOCAL_MACHINE \ SYSTEM \ CurrentControlSet \ Control \ FileSystem значение DisableDeleteNotification может быть установлено в 1, чтобы предотвратить выдачу команды массового хранилища команде TRIM. Это может быть полезно в ситуациях, когда восстановление данных предпочтительнее уровня износа (в большинстве случаев TRIM необратимо сбрасывает все освобожденное пространство).
Windows реализует команду TRIM для более чем операций удаления файлов. Операция TRIM полностью интегрирована с командами уровня и объема, такими как формат и удаление , с командами файловой системы, связанными с усечением и сжатием, а также с функцией восстановления системы (также известной как моментальный снимок).
Windows 7
Windows 7 и более поздние версии имеют встроенную поддержку SSD. Операционная система обнаруживает наличие SSD и соответственно оптимизирует работу. Для устройств SSD Windows отключает функции SuperFetch и ReadyBoost , загрузочные операции и предварительную выборку приложений. Несмотря на первоначальное заявление Стивена Синофски до выпуска Windows 7, однако, дефрагментация не отключена, хотя ее поведение на SSD отличается. Одной из причин является низкая производительность службы теневого копирования томов на фрагментированных SSD. Вторая причина заключается в том, чтобы избежать достижения практического максимального количества фрагментов файла, которые может обрабатывать тома. Если этот максимум достигнут, последующие попытки записать на диск с ошибкой будут сбой.
Windows 7 также включает поддержку команды TRIM для уменьшения сбора мусора для данных, которые уже определены операционной системой, более недействительна. Без поддержки TRIM SSD не знал бы, что эти данные являются недействительными и без необходимости будет продолжать переписывать его во время сбора мусора, что приведет к дальнейшему износу на SSD. Полезно внести некоторые изменения, которые препятствуют тому, чтобы SSD обрабатывались больше как жесткие диски, например, отменили дефрагментацию, а не заполняли их более чем на 75% емкости, не сохраняя часто записанных файлов, таких как журналы и временные файлы, если они доступный жесткий диск, и включение процесса TRIM.
Windows Vista
Windows Vista обычно ожидает жесткие диски, а не SSD. Windows Vista включает ReadyBoost для использования характеристик USB-подключенных флеш-устройств, но для SSD он только улучшает выравнивание разделов по умолчанию, чтобы предотвратить операции чтения-изменения-записи, которые уменьшают скорость SSD. Большинство SSD обычно разделяются на 4 кбайт сектора, в то время как большинство систем основаны на 512-байтных секторах, причем их настройки по умолчанию не совпадают с границами 4 КБ. Правильное выравнивание не помогает выносливости SSD в течение всего срока службы накопителя; однако некоторые операции Vista, если они не отключены, могут сократить срок службы SSD.
Drive дефрагментация должна быть отключена , потому что расположение компонентов файлов на SSD , существенно не влияет на его производительность, но перемещение файлов , чтобы сделать их смежными с использованием программы для Windows Defrag приведет к ненужному износу записи на ограниченном числе циклов P / E на SSD. Функция Superfetch не приведет к существенному улучшению производительности системы и вызовет дополнительные накладные расходы в системе и SSD, хотя она не вызывает износ. Windows Vista не отправляет команду TRIM на твердотельные диски, но некоторые утилиты третьей части, такие как SSD Doctor, будут периодически проверять диск и TRIM соответствующие записи.
ZFS
Solaris начиная с версии 10 Update 6 (выпущен в октябре 2008 г.) и недавно версии OpenSolaris , Solaris Express Community Edition , Illumos , Linux с ZFS в Linux и FreeBSD могут использовать SSD в качестве ускорителя производительности для ZFS . SSD с малой задержкой может использоваться для ZFS Intent Log (ZIL), где он называется SLOG. Это используется каждый раз, когда происходит синхронная запись на диск. SSD (не обязательно с низкой задержкой) также может использоваться для адаптивного кэша замены 2 уровня(L2ARC), который используется для кэширования данных для чтения. При использовании в одиночку или в сочетании, как правило, наблюдается значительное увеличение производительности.
FreeBSD
ZFS для FreeBSD ввел поддержку TRIM 23 сентября 2012 года. Код строит карту областей данных, которые были освобождены; при каждой записи код обрабатывает карту и в конечном итоге удаляет диапазоны, которые были освобождены до этого, но теперь перезаписаны. Существует поток с низким приоритетом, который соответствует диапазонам TRIM, когда приходит время.
Также файловая система Unix (UFS) поддерживает команду TRIM.
Файл подкачки
По словам бывшего президента Microsoft Windows Стивена Синофски , «файлов с файлами лучше, чем файл подкачки на SSD». Согласно собранным данным телеметрии , Microsoft обнаружила, что файл pagefile.sys идеально подходит для хранения SSD.
Подкачки Linux по умолчанию выполняют операции TRIM, когда базовое блочное устройство поддерживает TRIM, с возможностью их отключения или выбора между однократными или непрерывными операциями TRIM.
Если операционная система не поддерживает использование TRIM на дискретных разделах подкачки , вместо этого может быть возможно использовать файлы подкачки в обычной файловой системе. Например, OS X не поддерживает разделы подкачки; он заменяет только файлы в файловой системе, поэтому он может использовать TRIM, когда, например, файлы подкачки удаляются.
DragonFly BSD позволяет SSD-сконфигурированный swap также использоваться в качестве кеша файловой системы. Это можно использовать для повышения производительности как на рабочем столе, так и на сервере. Bcache , дй-кэш , и Flashcache проекты предоставляют подобную концепцию для ядра Linux.
Организации стандартизации
Ниже приводятся отмеченные организации и организации стандартизации, которые работают над созданием стандартов для твердотельных накопителей (и других устройств хранения данных на компьютере). В приведенной ниже таблице также представлены организации, которые содействуют использованию твердотельных накопителей. Это не обязательно исчерпывающий список.
| INCITS | N/A | Координирует деятельность технических стандартов между ANSI в США и совместными комитетами ISO / IEC по всему миру |
| T10 | INCITS | SCSI |
| T11 | INCITS | FC |
| T13 | INCITS | ATA |
| JEDEC | N/A | Разрабатывает открытые стандарты и публикации для отрасли микроэлектроники |
| JEDEC | Сосредоточивается на стандартах и публикациях твердотельных дисков | |
| NVMHCI | N/A | Обеспечивает стандартные программные и аппаратные интерфейсы программирования для подсистем энергонезависимой памяти |
| SATA-IO | N/A | Предоставляет отрасли руководство и поддержку для реализации спецификации SATA |
| SFF Committee | N/A | Работы по стандартам отрасли хранения, требующие внимания, когда не рассматриваются другими стандартными комитетами |
| SNIA | N/A | Развивает и продвигает стандарты, технологии и образовательные услуги в области управления информацией |
| SSSI | SNIA | Способствует росту и успеху твердотельных хранилищ |
Технология полупроводниковых дисков была продана на военные и нишевые промышленные рынки с середины 1990-х годов.
Наряду с появляющимся корпоративным рынком SSD появились на ультрамобильных ПК и в нескольких легких портативных системах, что значительно повышает стоимость ноутбука в зависимости от емкости, форм-фактора и скорости передачи. Для низкопроизводительных приложений флэш-накопитель USB может быть доступен в любом месте от $ 10 до $ 100 или около того, в зависимости от емкости и скорости; альтернативно, карта CompactFlash может быть сопряжена с конвертером CF-to-IDE или CF-SATA с аналогичной стоимостью. Для каждого из них требуется управление проблемами продолжительности цикла записи, либо воздерживаясь от хранения часто записанных файлов на диске, либо с использованием файловой системы флэш-памяти . Стандартные карты CompactFlash обычно имеют скорость записи от 7 до 15 Мбайт / с, тогда как более дорогие карты с рейтингом рейтинга требуют скорости до 60 Мбайт / с.
Одним из первых релизов SSD стал ноутбук XO , построенный в рамках проекта One Laptop Per Child . Массовое производство этих компьютеров, построенных для детей в развивающихся странах, началось в декабре 2007 года. Эти машины используют в качестве первичного хранилища 1,024 мегабайт MLC NLC NAND, который считается более подходящим для более суровых, чем обычно, условий, в которых они, как ожидается, будут использоваться. Dell начала выпускать ультрапортативные ноутбуки с SSD-накопителями SanDisk 26 апреля 2007 года. Asus выпустила субноутбук Eee PC 16 октября 2007 года с 2, 4 или 8 гигабайтами флэш-памяти. 31 января 2008 года Apple выпустилаMacBook Air , тонкий ноутбук с дополнительным SSD объемом 64 ГБ. Стоимость этого магазина Apple по цене более 999 долларов США по сравнению с 80-гигабайтным жестким диском емкостью 4200 об / мин. Еще один вариант — Lenovo ThinkPad X300 с 64-гигабайтным SSD, был анонсирован Lenovo в феврале 2008 года. 26 августа 2008 года Lenovo выпустила ThinkPad X301 с 128 ГБ SSD-опцией, которая добавляет приблизительно 200 долларов США.
В 2008 году появились недорогие нетбуки с SSD. В 2009 году SSD начали появляться на ноутбуках.
14 января 2008 года EMC Corporation (EMC) стала первым поставщиком корпоративных хранилищ для доставки флеш-накопителей в свой портфель продуктов, когда объявила о том, что выбрала SSE-модули Zeus-IOPS компании STEC, Inc. для своих систем Symmetrix DMX. [206] В 2008 году Sun выпустила унифицированные системы хранения Sun Storage 7000 (под кодовым названием Amber Road), которые используют как твердотельные диски, так и обычные жесткие диски, чтобы использовать скорость, предлагаемую SSD, а также экономичность и емкость, предлагаемые обычными жесткими дисками.
В январе 2009 года Dell начала предлагать дополнительные твердотельные накопители емкостью 256 ГБ на некоторых моделях ноутбуков. В мае 2009 года Toshiba выпустила ноутбук с SSD объемом 512 ГБ.
С октября 2010 года линия Apple MacBook Air использовала твердотельный диск в качестве стандарта. В декабре 2010 года OCZ RevoDrive X2 PCIe SSD был доступен с емкостью от 100 ГБ до 960 ГБ, обеспечивая скорость передачи более 740 Мбайт / с, а случайный небольшой файл записывает до 120 000 IOPS. В ноябре 2010 года Fusion-io выпустила свой высокопроизводительный SSD-накопитель с именем ioDrive Octal с использованием интерфейса PCI-Express x16 Gen 2.0 с объемом памяти 5,12 ТБ, скоростью чтения 6,0 ГБ / с, скоростью записи 4,4 ГБ / с и низкая латентность 30 микросекунд. Он имеет 1.19 M Чтение 512 байтовых IOPS и 1,18 M Запись 512 байтовых IOPS.
В 2011 году стали доступны компьютеры на основе спецификаций Ultrabook от Intel . Эти спецификации диктуют, что Ultrabooks использует SSD. Это устройства на уровне потребителя (в отличие от многих предыдущих предложений флэш-памяти, предназначенных для корпоративных пользователей) и представляют собой первые широко распространенные потребительские компьютеры, использующие SSD, помимо MacBook Air.= На выставке CES 2012 компания OCZ Technology продемонстрировала твердотельные накопители R4 CloudServ PCIe, способные достичь скорости передачи данных 6,5 ГБ / с и 1,4 млн. IOPS. Также анонсирован Z-Drive R5, который доступен вместимостью до 12 Тбайт, способный достичь скорости передачи 7,2 ГБ / с и 2,52 млн. IOPS с использованием PCI Express x16 Gen 3.0.
В декабре 2013 года компания Samsung представила и запустила первый в отрасли SSD SSM SS1. В августе 2015 года Samsung анонсировала твердотельный накопитель на 16 Тбайт, в то время как однопользовательское хранилище самых разных в мире.
Качество и производительность
В общем, производительность любого конкретного устройства может значительно различаться в разных условиях эксплуатации. Например, количество параллельных потоков, обращающихся к запоминающему устройству, размер блока ввода-вывода и количество оставшегося свободного места, могут существенно изменить производительность (т.е. скорость передачи) устройства.
Технология SSD развивается быстро. Большинство измерений производительности, используемых на дисках с вращающимися носителями, также используются на SSD. Производительность твердотельных накопителей с флэш-памятью трудно оценить из-за широкого спектра возможных условий. В тесте, проведенном в 2010 году Xssist, с использованием IOmeter , 4 кБ случайных 70% чтения / 30% записи, глубины очереди 4, IOPS, поставляемый Intel X25-E 64 ГБ G1, начал около 10 000 ВГД и резко упал через 8 минут до 4000 ИОПС, и продолжал постепенно снижаться в течение следующих 42 минут. IOPS варьируются от 3000 до 4000 с примерно 50 минут вперед для остальной части 8-часового испытательного пробега.
Усиление записи является основной причиной изменения производительности SSD с течением времени. Дизайнеры дисководов корпоративного уровня стараются избежать этого изменения производительности за счет увеличения избыточности и использования алгоритмов выравнивания износа, которые перемещают данные только тогда, когда диски не используются в значительной степени.