Твердотельный накопитель (англ.Solid-State Drive, SSD) — компьютерное энергонезависимое немеханическоезапоминающее устройство на основе микросхем памяти, альтернатива жёстким дискам (HDD). Наиболее распространённый вид твердотельных накопителей использует для хранения информации флеш-память типа NAND, однако существуют варианты, в которых накопитель создаётся на базе DRAM-памяти, снабжённой дополнительным источником питания — аккумулятором[1]. Помимо собственно микросхем памяти, подобный накопитель содержит управляющую микросхему — контроллер.
В настоящее время твердотельные накопители используются как в носимых (ноутбуках, нетбуках, планшетах), так и в стационарных компьютерах для повышения производительности. На 2016 год наиболее производительными выступали SSD формата M.2 с интерфейсом NVMe, у которых при подходящем подключении скорость записи/чтения данных могла достигать 3800 мегабайт в секунду[2].
По сравнению с традиционными жёсткими дисками твердотельные накопители имеют меньший размер и вес, являются бесшумными, а также многократно более устойчивы к повреждениям (например, при падении) и имеют гораздо бóльшую скорость производимых операций. В то же время, они имеют в несколько раз бóльшую стоимость в пересчёте на гигабайт и меньшую износостойкость (ресурс записи)[источник не указан 2047 дней].
SSD представляют собой устройства, хранящие данные в микросхемах вместо вращающихся металлических дисков или магнитных лент. Причина их появления отражает тот факт, что скорость обработки данных в процессоре намного превышает скорость записи данных в HDD. Магнитные диски на протяжении десятилетий доминировали в корпоративном сегменте хранения данных, за это время (с 1950-х) ёмкость носителей выросла в двести тысяч раз, скорость работы процессоров тоже сильно возросла, но скорость доступа к данным изменилась значительно меньше и диски стали «узким местом». Проблему решают твердотельные накопители — они обеспечивают намного большие скорости работы с данными по сравнению с жёсткими дисками[3]. SSD за счёт использования микросхем флеш-памяти по своим характеристикам существенно отличаются от жёстких дисков с магнитными пластинами.
С целью оптимизации использования SSD в 2011 году был разработан интерфейс NVMe — англ.Non-Volatile Memory Express, поддержка которого была добавлена в Windows, начиная только с версии 8.1. В Windows 7 поддержку протокола обеспечивает исправление (hotfix) KB2990941. Не все материнские платы поддерживают интерфейс NVMe, поэтому всё ещё сохраняет популярность старый интерфейс SATA[4].
Основные характеристики твердотельных накопителей[5]:
наименьшее время доступа к данным: от ста до тысячи раз быстрее, чем у механических дисков;
высокая скорость, вплоть до нескольких гигабайт в секунду для произвольно расположенных данных;
высокие значения IOPS благодаря высокой скорости и низкому времени доступа;
низкая цена производительности, лучшее соотношение цены к производительности среди всех устройств хранения;
высокая надёжность; SSD дают уровень сохранности данных такой же, как другие полупроводниковые устройства.
В отличие от жёстких дисков, цена SSD очень сильно зависит от доступной ёмкости, что связано с ограниченной плотностью размещения ячеек памяти и ограничением размера кристалла в микросхеме[6].
Существуют также гибридные жёсткие диски (англ.SSHD, solid-state hybrid drive), в которых совмещена твердотельная память и механический жёсткий диск[7][8]. Подобное объединение позволяет воспользоваться частью преимуществ флеш-памяти (быстрый произвольный доступ) при сохранении небольшой стоимости хранения больших объёмов данных. Флеш-память в них используется в качестве буфера (кэша) небольшого объёма (к примеру, в Seagate Momentus XT от 4 до 8 Гбайт)[9], либо (реже) может быть доступной как отдельный накопитель (англ.dual-drive hybrid systems)[источник не указан 2047 дней].
Технология Intel Smart Response позволяет совместно использовать SSD и HDD с целью кеширования часто используемых данных (файлов) на SSD, плюс к тому более эффективно использует SSHD[10][11].
У других производителей также есть свои технологии для использования SSD для кеширования данных, хранящихся в HDD: Marvell HyperDuo (в контроллере Marvell 88SE9130), Adaptec MaxIQ (MaxCache), LSI CacheCade. Из них только HyperDuo предназначена для домашнего использования[12][13][14][15].
К твердотельным накопителям относятся только накопители на полупроводниках. Жёсткие и оптические диски к ним не относятся, хотя они, строго говоря, являются твёрдыми телами. Эта терминология противоположна используемой в лазерах — твердотельными лазерами называют лазеры на основе любых твёрдых тел, за исключением полупроводников.
Первоначально твердотельные накопители называли «твердотельными дисками» (англ.Solid-State Disk), хотя ни один из твердотельных накопителей не является диском. Сейчас это название становится малоупотребительным.
Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Дополнительные сведения есть на странице обсуждения.
(27 апреля 2019)
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[16].
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 том же году Samsung, Toshiba и Micron начали выпускать накопители с микросхемами 3D-NAND, которая позволила снизить стоимость устройств, особенно высокой ёмкости[19].
Флеш-память NAND для SSD выпускалась компаниями SanDisk, Toshiba (Kioxia[21]), Samsung, Intel, Micron. Несмотря на то, что Toshiba Memory была и является одним из крупнейших производителей микросхем NAND, доля компании на рынке SSD составляла только 3,9 %[22].
С 2016 года Samsung выпускает «потребительские» SSD с микросхемами 3D NAND исключительно собственного производства[6].
Дефицит микросхем 2021 года привёл к «качелям цен» на SSD из-за их перепроизводства, а затем, на фоне резкого падения продаж SSD, к обвалу цен в конце 2022 года[23][24].
Первоначально твердотельные накопители распространились в виде отдельных устройств накопления и переноса информации. Они подключались к компьютерам и цифровым гаджетам через ряд стандартизированных внешних интерфейсов, а конструкция накопителей позволяла неквалифицированному пользователю безопасно манипулировать ими и переносить данные между устройствами. Все эти накопители можно было разделить на две большие группы: с интерфейсом USB («USB-флешки»), преимущественно используемые с компьютерами, и карты памяти, преимущественно используемые в разнообразных электронных гаджетах, например цифровых фотоаппаратах, телефонах и т. п.
USB-накопители были отлично стандартизированы и обеспечивали работоспособность на любых устройствах с этим разъёмом. Карты памяти имели большое разнообразие несовместимых конструкций и интерфейсов. Первоначально были популярны CompactFlash, SmartMedia, Memory Stick, MMC, SD. До нашего времени высокую популярность сохранили лишь SD-карты в двух форм-факторах: стандартном и миниатюрном (microSD).
По мере роста ёмкости и удешевления флеш-памяти, твердотельная память стала заменять основную долговременную память компьютеров — жёсткие диски. С целью обеспечения взаимозаменяемости с существовавшими технологиями встраиваемые твердотельные накопители стали выпускать в стандартизированных для жёстких дисков конструктивах и с наиболее популярным на тот момент интерфейсом для жёстких дисков. Так появились твердотельные диски типоразмера 2,5" с интерфейсом SATA, которые устанавливались вместо механических жёстких дисков.
Однако громоздкие конструктивы и медленные интерфейсы механических жёстких дисков не позволяли раскрыть потенциал флеш-памяти. Начался процесс миниатюризации накопителей. Первоначально отказались от конструктива жёстких дисков, стандартизировав малогабаритные конструктивы mSATA и M.2 SATA (иногда называемый NGFF), но сохранив совместимость с интерфейсом SATA. Следующим шагом стал отказ от медленного интерфейса SATA и переход на быстрый интерфейс PCI Express. Так появились накопители с интерфейсом NVM Express (NVMe) в разнообразных конструктивах, из которых наибольшее распространение получил M.2 NVMe.
Несмотря на похожий конструктив накопители M.2 SATA нельзя установить вместо M.2 NVMe и M.2 NVMe нельзя установить вместо M.2 SATA, они несовместимы друг с другом. Внешне их можно различить по количеству вырезов на контактах платы накопителя и соответствующих ключевых вставок на ответном разъёме: у M.2 SATA их два, а у M.2 NVMe — один.
2,5" SATA и mSATA накопители
mSATA и M.2 SATA накопители
mSATA и M.2 NVMe накопители
M.2 SATA слева, M.2 NVMe справа
Разъём и крепёж M.2 NVMe накопителя на материнской плате компьютера
M.2 NVMe накопитель на материнской плате компьютера
Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памяти (NAND SSD), появились 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 скоростями чтения и записи, во много раз превосходящими возможности жёстких дисков[25]. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением.[источник не указан 583 дня]
К 2016 году были созданы микросхемы NAND с тремя различными по плотности хранения данных технологиями[6]:
SLC (Single Level Cell), один бит на ячейку;
MLC (Multi Level Cell) — два бита;
TLC (Triple Level Cell) — три бита.
TLC обеспечивает наибольшую плотность хранения данных (втрое выше, чем планарная SLC), но имеет наименьший срок службы и меньшую надёжность, которые компенсируются производителями за счёт усложнения обработки данных[6].
Дальнейшее развитие технологии NAND — 3D TLC, в которой ячейки TLC размещены на кристалле в несколько слоёв. Например, Samsung SSD 850 EVO использует 3D-память с 32 слоями 3-битных ячеек TLC; производитель обещает для них надёжность на уровне устройств с планарными двухбитовыми MLC[6].
С 2017 года нашло распространение и QLC (Quad Level Cell) — четыре бита[26]. На 2022 год рекордной является вышедшая в прошлом году 3D NAND 7-го поколения с 176 слоями (частота интерфейса 1,6 ГГц) от Micron; потребительским стандартом являются 96—144-слойные микросхемы[27].
Эти накопители построены на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера) наподобие RAM drive и характеризуются сверхбыстрым 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 серия HyperDrive (последние известны в Европе как ACARD ANS-9010 и 9010BA).
Пользователи, обладающие достаточным объёмом оперативной памяти, могут организовывать имитацию подобных устройств за счёт технологии диск в ОЗУ (RAM drive), например, для оценки быстродействия виртуальных машин.
В 2015 году компании Intel и Micron заявили о выходе новой энергонезависимой памяти 3D XPoint[28]. 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[29].
Количество произвольных операций ввода-вывода в секунду (IOPS) у SSD на порядок выше, чем у жёстких дисков, за счёт возможности одновременного запуска множества операций и более низкой латентности каждой операции (нет необходимости ожидать оборота диска перед доступом, а также ожидать наведения головки диска на нужную дорожку). Благодаря этому запуск программ и операционной системы происходит значительно быстрее.[источник не указан 710 дней]
Скорость линейного чтения/записи выше, чем у распространённых жёстких дисков, и в ряде операций может быть близка к пропускной способности интерфейсов (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.[источник не указан 710 дней]
Малые габариты и вес. Для твердотельных накопителей были разработаны более компактные типовые размеры, например mSATA, NGFF (M.2).[источник не указан 710 дней]
Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации.[источник не указан 710 дней]
Отсутствие движущихся частей, отсюда:
полное отсутствие шума;
высокая механическая стойкость (кратковременно выдерживают удары с ускорением 1500 g).
При условии использования в качестве загрузочного диска на серверах — более высокая по сравнению с HDD надёжность. Это не относится к использованию SSD в качестве хранилища данных. Это было определено в компании Backblaze, которая проанализировала поломки SSD и HDD в течение 5 лет эксплуатации. В их анализе SSD показали в три раза более низкий процент отказов при использовании носителя в качестве загрузочного. В отчёте Backblaze нет информации об отказоустойчивости дисков при частой перезаписи больших объёмов данных, также ничего нет про сохранность информации при её длительном хранении[31].
Главный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная (MLC, англ.multi-level cell «многоуровневые ячейки памяти») флеш-память позволяет записывать данные примерно три-десять тысяч раз (гарантированный ресурс); в самых дешёвых накопителях (USB, SD, µSD) может использоваться ещё более плотная память типа TLC[en] (MLC−3) с ресурсом порядка 1000 циклов или менее. Самые дорогостоящие виды памяти (SLC, англ.single-level cell «одноуровневые ячейки памяти») — имеют порядка сотен тысяч циклов перезаписи[32]. Для борьбы с неравномерным износом в высокопроизводительных (SATA и PCIe) SSD применяются схемы балансирования нагрузки (wear leveling): контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались, и при необходимости производит запись в менее изношенные блоки[33]. При выработке реального ресурса банков памяти накопитель может перейти в режим «только для чтения», что позволит скопировать данные[34][35]. При ряде вариантов использования, в том числе в бытовых компьютерах, при корректно работающих алгоритмах выравнивания износа, ресурс накопителей обычно серьёзно превышает заявленный производителем гарантийный срок службы, в среднем составляющий 5 лет[36];
Скорость записи и ресурс SSD-накопителей значительно зависят от оставшегося свободного пространства. Причина в том, что максимальную скорость записи контроллер обеспечивает за счёт записи в режиме SLC, то есть 1 бит на ячейку, при этом же и выше ресурс. При дальнейшем заполнении SSD контроллер вынужден освобождать ячейки и перезаписывать в них максимальное количество данных (3-4 бита), при этом скорость записи резко падает, накопитель изнашивается. Поэтому для повышения как ресурса, так и скорости, желательно оставлять больше свободного места. В накопителях многих компаний для снижения остроты проблемы сохраняют недоступными для пользователя часть пространства, благодаря чему скорость записи снижается меньше, причём такие теневые блоки памяти используются для замещения выработавших ресурс[37].
SSD-накопители малоизвестных производителей (англ.noname), продаваемые на онлайн-маркетах, зачастую имеют близкий к нулю ресурс, поскольку являются изношенными майнерами (SSD используются для «плоттинга»), счётчики Smart в них обнуляют специальными программами (Drevitalize, WD Marvel и тому подобными)[38].
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[39] (в 2012−2015 годах: менее 0,1 $/ГБ в HDD[какой?] , от 1 до 0,5−0,4 $/ГБ в SSD[40]). Уравнивание стоимости за единицу объёма SSD и HDD прогнозируется приблизительно к 2019 году[41], 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[42]. 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[43];
модели накопителей минимального объёма обычно имеют немного более низкую производительность в ряде операций за счёт меньшего параллелизма[44];
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[45];
применение в SSD-накопителях аппаратной команды TRIM для пометки удалённой 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 команды «ATA Secure Erase». Команда TRIM помечает блоки как свободные, а решение о моменте физического стирания информации определяется прошивкой устройства[46];
возможен выход из строя электронных устройств, в том числе контроллера или отдельных микросхем NAND-памяти либо пассивных компонентов. Среди некоторых моделей выходят из строя до 0,5−2 % SSD накопителей в течение первых лет эксплуатации[47]. В отличие от HDD, выход из строя является внезапным[48];
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 микросхем, что приводит к безвозвратной потере информации. Вероятность восстановления данных существует, если повреждён лишь контроллер[49]; 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;[источник не указан 583 дня]
низкая реальная помехозащищённость 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 всё более сложных внутренних кодов исправления ошибок: ECC, код Рида — Соломона, LDPC[50][51]. В ряде дешёвых SSD внутренние ошибки кодов коррекции могут приводить к значительному увеличению латентности отдельных операций.[источник не указан 583 дня]
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.[источник не указан 583 дня]
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.[источник не указан 583 дня]
Рекомендуется также отключать Prefetch, индексирование, также теряется смысл гибернации, так как скорость загрузки без гибернации приближается к таковой из-за высокой скорости произвольного доступа[52].
Mac OS X и компьютеры Macintosh с твердотельными накопителями[править | править код]
Операционная система Mac OS X, начиная с версии 10.7 (Lion), полностью осуществляет TRIM-поддержку для установленной в системе твердотельной памяти[53].
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.[источник не указан 583 дня]
Объём комплектуемой памяти в компьютерах серии Air составляет от 128 ГБ до 512 ГБ[54].
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[55].
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 3749 дней].
GNU/Linux и компьютеры данной платформы с твердотельными накопителями[править | править код]
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[56].
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.[источник не указан 583 дня]
↑Магнитные поля могут повредить только работающий жёсткий диск. Например если приложить к работающему жёсткому диску неодимовый магнит — это может нарушить работу металлических движущихся частей в диске — блока магнитных головок, при этом магнитное поле не может непосредственно повредить или размагнитить диск и повредить хранящуюся на нём информацию. SSD диск ещё более устойчив к повреждению информации, хранящейся на нём, по причине воздействия магнитных полей. Для того чтобы магнитное поле размагнитило или повредило информацию, хранящуюся на SSD-диске, нужен магнит колоссальных размеров и гигантской мощности[источник не указан 2047 дней]
↑Технология Intel® Smart Response. Быстрый доступ к наиболее часто используемым файлам и приложениям(рус.). Корпорация Intel. Дата обращения: 27 апреля 2019. Архивировано 2 июня 2021 года.
↑http://www.anandtech.com/show/4902/intel-ssd-710-200gb-review/2Архивная копия от 3 сентября 2014 на Wayback Machine «After you’ve exceeded all available p/e cycles on standard MLC, JEDEC requires that the NAND retain your data in a power-off state for a minimum of 12 months. For MLC-HET, the minimum is reduced to 3 months. In the consumer space you need that time to presumably transfer your data over.»
↑Jacobi, 2013: «SSDs, and solid-state storage in general, have a disturbing tendency toward binary functionality. An SSD failure typically goes like this: One minute it’s working, the next second it’s bricked.».
↑Jacobi, 2013, Whether the failure lies with the controller or the NAND itself, the company has a good, though not perfect, success rate..
Solid State Storage 101 : An introduction to Solid State Storage : Solid State Storage Initiative : [англ.]. — San Francisco, CA : Storage Networking Industry Association (SNIA), 2009. — January. — 12 p.