Prezentujemy: Technologia SSD

2016-04-02

Solid-state drives, czyli dyski SSD, to nowoczesne urządzenia pamięci masowej, które działają bez użycia ruchomych części mechanicznych. SSD wykorzystują pamięć flash NAND, umożliwiając jednoczesne zapisywanie i usuwanie wielu komórek pamięci. Dzięki trwałości pamięci flash dane zachowują się także po odłączeniu zasilania.

Z artykułu dowiesz się:

dlaczego dyski SSD są bardziej niezawodne i trwałe w porównaniu do HDD,
jakie technologie są stosowane w dyskach SSD do przechowywania danych,
jaka była historia rozwoju technologii SSD od lat 50-tych XX wieku,
o różnicach w konstrukcji wewnętrznej między SSD a HDD,
jak wpływa miniaturyzacja czipów na rozwój dysków SSD,
w jaki sposób dyski SSD zużywają mniej energii niż tradycyjne dyski twarde,
dlaczego SSD mają krótszy czas dostępu do danych,
o różnych zastosowaniach dysków SSD w przemyśle i biznesie,
jakie innowacje związane z firmware poprawiają działanie SSD.

Początki SSD to lata 50-te XX wieku i tzw. pamięci ferrytowe. Zostały one jednak szybko wyparte przez pamięci bębnowe. Do idei SSD powrócono w latach 90-tych, kiedy to zaczęto stosować pamięć flash. Początkowo, ze względu na wysokie ceny, napędy SSD były stosowane w lotnictwie i wykorzystywane przez przemysł zbrojeniowy. Miały one małe pojemności oraz były produkowane w nietypowych rozmiarach. Jednak pierwsza dekada XXI przyniosła przełom. Popyt na pamięci flash oraz spadające ceny spowodowały, że coraz częściej zaczęto stosować napędy SSD.

Od początku 2009 roku rynek dysków półprzewodnikowych SSD rozwija się niezwykle dynamicznie. Wiąże się to ze stałym udoskonalaniem kontrolerów i pojawieniem się nowych wersji firmware. Niektóre firmy akcentują zmiany jakie zachodzą w jakości SSD, poprzez nazewnictwo - przykładowo firma Kingston Technology wypuściła na rynek serię dysków SSDNow a Silicon Power zmienia serie V, S etc.

Technologia

SSD pracuje przeważnie w oparciu o pamięć NAND flash, choć zdarzają się także napędy korzystające z pamięci DRAM. W myśl funkcjonowania pamięci flash, nie potrzebuje ona baterii do przetrzymywania zapisanych uprzednio danych. Jest to niezwykle istotne podczas nagłych strat zasilania.

Bardzo ważną zaletą dysków SSD jest to, że nie posiadają one elementów mechanicznych. Ma to znaczący wpływ, przede wszystkim na stabilność pracy, niezawodność i bezawaryjność urządzenia, ale także na czasy wyszukiwania danych oraz ograniczenie innych opóźnień z tym związanych. Właśnie opóźnienia są nieporównywalnie mniejsze od tych generowanych podczas pracy dysków HDD.

SSD składa się z kontrolera, pamięci podręcznej cache oraz baterii. Kontroler jest procesorem, który zarządza firmwarem. Odpowiada również za łączenie pamięci NAND z interfejsem wejścia/wyjścia. Kontroler jest tą częścią dysku, którego jakość ma największy wpływ na funkcjonowanie i wydajność całego urządzenia.

SSD korzysta z niewielkiej ilości DRAM w pamięci przenośnej cache, podobnej do tej stosowanej w HDD. Cache przetrzymuje informacje o rozkładzie bloków oraz dane dotyczące tzw. wear leveling (technika pozwalająca na przedłużanie żywotności pamięci flash).

SSD ma także wbudowaną baterię. Jest ona potrzebna do utrzymania zasilania cache w razie spadków napięcia. W ten sposób ? poprzez zabezpieczenie danych w pamięci przenośnej ? została zagwarantowana spójności danych.

Wydajność SSD jest związana z liczbą chipów pamięci NAND flash w dysku. Pojedynczy chip jest stosunkowo wolny ? ma to związek z wysokimi opóźnieniami operacji wejścia/wyjścia. Jeśli jednak zestawi się kilka czipów NAND, to następuje skalowanie szybkości transferu danych i efekt opóźnienia jest minimalizowany.

Dyski SSD mogą używać tańszego, ale za to wolniejszego rodzaju pamięci flash ? MLC (multi-level cell). Istnieje jednak wydajniejsza (oczywiście droższa) pamięć - SLC (single-level cell).

Aby zachować kompatybilność z wcześniejszymi rozwiązaniami, SSD posiada interfejs dysku HDD. Najczęściej jest to SATA o różnej wydajności np. 1,5 Gb/s i 3,0 Gb/s. Równocześnie SSD - mimo że mogłyby być mniejsze - są produkowane w standardowych wymiarach: 1,8˝, 2,5˝ i 3,5˝.

Kolejne wersje SSD są modernizowane. I tak nowe dyski oferują wsparcie technologii Windows 7 TRIM. Rozwiązanie to informuje, z których bloków pamięci dane zostały już usunięte. Umożliwia tym samym tym samym ponowne ich użycie. Umożliwia to zachowanie pełnej wydajności dysku przez cały okres jego użytkowania.

Dodatkowo kontroler może posiadać funkcję tzw. garbage collection. Automatycznie usuwa ona skasowane pliki z bloków pamięci flash. Działa z reguły wtedy, kiedy SSD nie prowadzi żadnych operacji. Garbage collection stanowi część oprogramowania firmware i jest dostosowany do konkretnego kontrolera. Zastosowanie ww. rozwiązań powoduje, że żywotność dysków SSD wynosi aż 1 mln godzin, czyli ok. 114 lat!

Jeśli można się pokusić o prognozę, w którym kierunku pójdzie dalszy rozwój SSD, to będą to:

Ciągłe unowocześnianie kontrolera, tak aby zmniejszać czasy operacji wejścia/wyjścia.
Chipy pamięci flash będą ? w wyniku rozwoju technologicznego ? cały czas miniaturyzowane. Może to wpłynąć na zmniejszenie całego dysku SSD. Już teraz rozmiar 1,8˝ jest standardem, a jest to dopiero początek ?odchudzania?.

SSD vs. HDD

Dopiero kiedy zestawimy SSD z dyskami HDD, uwypuklają się główne zalety pamięci SSD. Wydajność, wytrzymałość i oszczędność energii to podstawowe zalety dysków solid-state.

Brak elementów mechanicznych jest główną cechą SSD. Dzięki temu, dyski te są o wiele bardziej odporne na wstrząsy. Istotną zaletą jest także szeroki zakres temperatur pracy, których magnetyczne dyski HDD nie są w stanie znieść. Nośniki SSD (typ SLC) mogą funkcjonować w temperaturze od -40 °C aż do +85 °C. Dyski SSD gwarantują niezawodną pracę, stąd coraz częściej są one stosowane w przemyśle, a także w komputerach firmowych ? szczególnie tych, które są eksploatowane przez mobilnych pracowników.

Lista zalet SSD tutaj się jednak nie kończy.. Dodatkowo dyski SSD charakteryzują się zdecydowanie krótszym czasem dostępu do danych (nawet o kilkadziesiąt razy) oraz cichą pracą. Pa Szybkości odczytu/zapisu są zdecydowanie szybsze od tych osiąganych przez dyski HDDmięci SSD nie rozgrzewają się tak bardzo jak HDD. To z kolei przekłada się ? oprócz wytrzymałości urządzenia ? na zmniejszenie poboru energii. Ten jest zdecydowanie niższy niż w przypadku HDD. Bateria w laptopie wyposażonym w SSD działa o 20-30 min dłużej, niż w takim z wmontowanym dyskiem mechanicznym.

Co ciekawe, pamięci SSD nie musimy defragmentować. Może to wręcz zmniejszyć wydajność pamięci.

Jedynym elementem, który przemawia jeszcze na korzyść HDD jest cena za 1 GB. Dyski SSD są jeszcze zdecydowanie droższe (ok. USD 1,50-3,45 za 1 GB)od pamięci mechanicznej(ok. USD 0,38). Dlatego też HDD występują z reguły w wersjach o pojemności większej niż 512 GB. Z kolei SSD to z reguły przedział 30 GB - 512 GB. W oczywisty sposób przekłada się to na sposób użycia dysków. HDD służą raczej do przechowywania dużej ilości danych. SSD są za to stosowane w przypadkach, kiedy najważniejsza staje się wydajność i niezawodność.

Istnieją na rynku także dyski hybrydowe, które łączą w sobie cechy obu pamięci.

FAQ

Jakie są główne zalety dysków SSD w porównaniu do HDD?

Dyski SSD oferują wyższą wydajność, krótszy czas dostępu do danych, cichszą pracę oraz większą odporność na wstrząsy poprzez brak ruchomych części.

Czy dyski SSD są bardziej energooszczędne niż HDD?

Tak, dyski SSD zużywają mniej energii niż tradycyjne dyski twarde, co przekłada się na dłuższy czas pracy baterii w laptopach.

Jakie są różnice między pamięcią SLC a MLC w dyskach SSD?

Pamięć SLC przechowuje jeden bit na komórkę, oferując wyższą wydajność i trwałość, ale jest droższa. MLC przechowuje dwa bity na komórkę, co obniża koszt, ale także trwałość i wydajność.

Czy dyski SSD wymagają defragmentacji?

Nie, defragmentacja nie jest zalecana dla dysków SSD, ponieważ może skrócić ich żywotność i nie przynosi korzyści w wydajności.

Czy mogę zastąpić dysk HDD w moim laptopie dyskiem SSD?

Tak, większość laptopów pozwala na wymianę dysku HDD na SSD, co znacząco poprawia wydajność systemu.

Jakie interfejsy są używane w dyskach SSD?

Dyski SSD korzystają z różnych interfejsów, takich jak SATA, PCIe czy NVMe, wpływających na ich wydajność i kompatybilność.

Jak długo trwa żywotność dysku SSD?

Żywotność dysku SSD zależy od technologii pamięci i intensywności użytkowania, ale nowoczesne dyski oferują trwałość na poziomie około 1 miliona godzin pracy.