Юрий Филиппов

Текст

Рассказываем о накопителях нового поколения: назначении, принципе их работы, видах и характеристиках. Даем советы по выбору SSD, анализируем их достоинства и недостатки

Использование компьютера неразрывно связано с операциями с цифровыми данными. Это могут быть системные файлы, цифровые фото, аудио и видео, компьютерные игры, другие данные. На заре компьютерной техники пользователи постоянно меняли диски и дискеты, но со временем компьютеры стали оснащаться накопителями. Сначала это были жесткие диски, но в последние годы получают распространение SSD, которые работают быстрее и эффективнее винчестеров.

Что такое SSD?

Аббревиатура SSD расшифровывается как Solid State Drive, или твердотельный накопитель. Диски этого типа хранят данные не на магнитных пластинах, движущихся относительно считывающей иглы, как в HDD (жестких дисках), а в микросхемах, и считывают ее немеханическим способом.

Твердотельные накопители используют не только в компьютерах и ноутбуках, но и в мобильных устройствах - смартфонах, планшетах. Еще одно направление использования SSD - серверные компьютеры.

Из чего состоит SSD

1. Печатная плата. Основа накопителя, на которой размещены составные части и слот для подключения.

2. Контроллер. Управляющая часть SSD, отвечающая за его работу и взаимодействие с компьютером.

3. Кэш. Временное хранилище данных, куда помещаются файлы перед копированием или перемещением. SSD-накопители оснащены кэшем типов DRAM или SLC.

4. Чипы флеш-памяти, состоящие из множества ячеек, хранящих данные в виде заряда.

Принцип работы SSD

Контроллер твердотельного накопителя преобразует поступающие данные в электрический ток. Заряд попадает в ячейки, оснащенные плавающим и управляющим транзисторами. Первый проводит ток, второй принимает и хранит заряд. Заряженность управляющего транзистора означает 1 бит информации на SSD.

Ячейки составляют сетки или блоки. Каждая строка блока называется страницей и обладает емкостью от 2 до 16 Кб. Величина блока может быть от 128 до 256 страниц, соответственно, он способен вмещать от 256 Кб до 4 Мб.

Типы ячеек SSD различаются в зависимости от количества уровней и битов. Если накопитель относится к виду NAND, в ячейках могут быть реализованы технологии SLC, MLC, TLC И QLC. Ячейки SLC могут хранить 1 бит памяти, MLC - 2 TLC - 3, QLC - 4. Чем больше уровней в ячейке, тем медленнее скорость записи и объем SSD.

Процесс ввода-вывода из ячеек отрицательно влияет на ее структуру, также со временем в ячейке накапливаются электроны, создающие отрицательный заряд. Диапазон возможного напряжения ячейки снижается, и запись затрудняется. В этом случае задействуется резервная область SSD. По мере исчерпания резервной области ресурс SSD иссякает, и он выходит из строя.

Отличия SSD от HDD

1. Твердотельный накопитель содержит данные на микросхемах, жесткий диск - на магнитных пластинах, вращающихся относительно головки.

2. Запись данных на SSD включает следующие этапы: занесение старой информации в резервный участок, очищение занятого участка с последующей записью новых и старых данных, очистка резервного участка. Жесткий диск перемещает головку в свободный участок и производит запись путем изменения последовательности битов.

3. Контроллер твердотельного накопителя после получения запроса о чтении находит участок с данными, после чего считывает заряд ячеек и определяет данные. Затем информация передается в другие элементы компьютера. Жесткий диск во время чтения направляет головку к участку с нужными данными.

4. SSD отличается большей долговечностью и скоростью работы, нежели жесткий диск.

История SSD

Первый твердотельный накопитель был создан в 1976 году. Модель Dataram BulkCore была оснащена шасси из 8 планок RAM-памяти емкостью 256 КБ. Этот диск был значительно меньше жестких дисков того времени, при этом скорость доступа к данным составила 750 нс. В 1978 году фирмой StorageTek был выпущен накопитель объемом 45 МБ, а в 1982 году - SSD RAMDISK 320 для компьютера Apple II.

В 1980-е гг. велись разработки над стандартами Flash-памяти. В 1982 году инженером Toshiba Фудзио Масуока был разработан стандарт NOR, а в 1987 - NAND. В 1989 году Intel создала собственную память типа NOR, а DigiPro создала на ее основе накопитель Flashdisk объемом 16 МБ.

В 2003 году Transcend выпустила SSD-накопители объемом от 16 до 512 МБ, которые первыми из твердотельников получили широкое распространение. Они были оснащены разъемом PATA. А в 2006 году производство массовых моделей SSD начали Samsung и SanDisk. Производитель из Южной Кореи выпустил тогда накопитель с разъемом PATA объемом 32 ГБ.

В 2009 году OCZ Technologies был выпущен первый SSD-накопитель объемом 1 ТБ.

Интерфейс SATA, использующийся также в жестких дисках, не обеспечивает самой быстрой работы твердотельных накопителей. Для ускорения работы SSD NVM Express Workgroup в 2011 году был разработан NVMe, дающий прямой доступ к PCI-шине, а не через SATA-контроллер. А первый контролер по технологии NVMe был представлен в 2012 году. В том же году Virident Systems был создан накопитель объемом 2,2 ТБ.

Сегодня SSD-накопители распространены на рынке наравне с традиционными жесткими дисками.

Твердотельный накопитель - это далеко не единственное важное изобретение XX века. Недавно мы писали о 12 важнейших открытиях XX века:

Для чего нужен SSD?

Твердотельный накопитель предпочтительно в следующих ситуациях:

1. Использование в качестве системного тома (C:\ и другие директории). SSD обеспечит более быстрый доступ к системным файлам, а значит, и хорошее быстродействие компьютера.

2. Хостинг. Быстрота SSD обеспечит бесперебойную работу и эффективное управление веб-ресурсами, которые содержат видео и другой тяжелый контент. Немеханический принцип работы твердотельного накопителя уменьшает износ в условиях большого количества запросов сервера.

3. Игры. Быстрая загрузка тяжелых данных (3D-модели, анимация, большие пространства и т. п.) обеспечит высокую производительность игровых приложений.

4. Бизнес. Свойства SSD позволяют хранить и передавать значительные объемы данных. Это сделало их популярными во многих отраслях профессиональной деятельности.

Характеристики SSD

Логический интерфейс

SATA - стандартный интерфейс SSD. Карта памяти SATA может подключаться к материнской плате через кабель или плашку на корпусе. Этот интерфейс дает скорость обмена данными до 600 МБ в секунду, что порядка в 5 раз быстрее жесткого диска. За время существования SATA было выпущено 3 его версии. Самую высокую скорость обеспечивает SATA III, а точнее - Revision 3.5, выпущенная в июле 2020 года.

Новый интерфейс SSD - NVMe. Скорость его работы от 1,5 до 7,5 ГБ/сек, что быстрее SATA в 13 раз. Как и у SATA, у NVMe несколько версий, самые распространенные из которых - Gen 3.0 и Gen 4.0. Стандарт Gen 5.0 появился недавно, производителям пока не удалось его достаточно освоить.

Подробнее о NVMe читайте в нашей статье:

Физический интерфейс

Тип разъема, по которому накопитель подключается к компьютеру.

1. SATA. Разъем, использующийся в HDD и SSD. Он может передавать данные, но не энергию для питания. Накопитель с SATA-выходом нужно будет дополнительно подключить к блоку питания.

2. M.2 Слот, позволяющий подключить SSD напрямую к компьютеру. Существуют 2 разновидности M.2:

M.2 - SATA. Подключается к материнской плате. M.2 - NVMe, который можно подключить напрямую к процессору, за счет чего можно обеспечить высокую скорость взаимодействия.

PCIe. Интерфейс, также использу.щийся для подключения видеокарты. Поскольку таких разъемов на материнской плате несколько, через них можно подключить несколько SSD и сформировать из них RAID-массив.

3. U.2. Слот, подключающий NVMe SSD в помощью кабеля. Этот интерфейс используется в дата-центрах, и позволяет заменять накопители без потери данных в случае их неисправности.

Форм-фактор

Внешняя форма накопителя.

1. 2,5’’ Форм-фактор, сходный с таковым у компактного жесткого диска. Накопитель такой формы может быть внешним или встраиваемым в системный блок, корпус ноутбука.

2. M.2 Размер, не превышающий такового у модуля оперативной памяти (RAM). Накопители этого форм-фактора используют аналогичный разъем для подключения - M.2 - и делятся на 5 групп в зависимости от длины и ширины: 22110, 2280, 2260, 2242, 2230. Первые 2 цифры указывают на длину, третья, четвертая и пятая - ширину в миллиметрах.

3. mSATA - миниатюрные накопители размером до 5 см. Используют собственный разъем для подключения (mSATA).

Ёмкость

Количество данных, которые может вместить накопитель. Теоретически SSD может хранить до 30 ТБ данных. Магазины электроники предлагают накопители объемом от 16 ГБ до 30 ТБ.

Срок службы

Этот показатель рассчитывается в единицах TBW и DWPD. Первое число отражает количество данных, которые можно записать за весь срок службы SSD-накопителя. Оно может быть рассчитано в тера- или петабайтах. Второе число выражает количество раз, которое нужно перезаписать весь объем диска за день, чтобы выработать его ресурс к концу гарантийного срока.

К примеру, объем накопителя 1 ТБ, а DWPD равен 1. Это значит, что каждый день до конца гарантийного срока нужно записать на диск и стереть с него 1 ТБ данных. Если показатель TBW для SSD равен 500, это означает, что на диск нужно переместить 500 ТБ данных, чтобы его ресурс был полностью выработан. Для диска объемом 1 ТБ это означает 500 циклов перезаписи.

Скорость чтения и записи

Количество данных, которое накопитель может сохранить или отправить в компьютер за отрезок времени. Современные SSD-накопители осуществляют загрузку данных со скоростью от 100 до 5000 Мбит/сек. На скорость влияют интерфейс накопителя, тип NAND-памяти

Достоинства SSD

1. Твердотельные накопители работают значительно быстрее, чем HDD. Они не используют механические способы записи и чтения, а практически сразу обрабатывают данные. Быстрее происходят загрузка и чтение данных, что влияет на взаимодействие с комплектующими и взаимодействие компьютера в целом.

2. Отсутствие шумов во время работы, ввиду того же отсутствия подвижных частей.

3. Меньший расход энергии по сравнению с HDD.

4. Устойчивость к электромагнитным полям. Размагнитить SSD очень сложно.

5. Небольшой размер и масса. SSD экономят место в системном блоке и других устройствах.

6. Высокая надежность и ударопрочность.

Недостатки SSD

1. Накопители NVMe подвержены нагреву, из-за чего их нужно снабжать радиатором.

2. Ограниченность ресурса, следовательно, срока службы. Каждый твердотельный накопитель имеет предельный размер загружаемой информации. По его достижении SSD может выйти из строя.

3. Сложность восстановления данных после выхода накопителя из строя.

4. Высокая цена большинства моделей.

5. Дешевые накопители при загрузке, близкой к 100% объема, могут снизить производительность до уровня, близкому к HDD.

6. Подверженность скачкам напряжения. В случае их возникновения контроллеры и чипы памяти сгорают. Поэтому если вы используете твердотельник, есть смысл поставить на компьютер стабилизатор напряжения.

Как выбрать SSD

1. Если вы планируете установить на SSD лишь операционную систему, хватит объема 250 - 500 ГБ. Для личных файлов, игр и объемных фильмов лучше выбрать объем 1 или 2 ТБ.

2. Накопители форм-фактора 2.5 дюйма подойдут и для ноутбука, и для стационарного компьютера. Но в случае с ноутбуком и другой портативной техникой лучше выбрать SSD форм-факторов M.2 с меньшими габаритами, а mSATA подойдет устаревшим ультрабукам. Вместе с тем, у накопителей форм-факторов M.2 и mSATA, продающихся в магазинах электроники, меньший объем (до 2 ТБ). А популярные модели SSD размером 2.5 дюймов могут вместить до 8 ТБ.

3. Хранилище с TBW до 3000 циклов подойдет для офисных компьютеров, обрабатывающих преимущественно текстовые и фотофайлы. Для домашних и игровых компьютеров, а также для корпоративных систем начального класса следует выбрать диск с TBW до 5000 циклов. Модели с TBW величиной 30000, 50000 циклов и больше подойдут для профессиональных корпоративных систем и серверов.

4. Накопители с интерфейсом SATA подойдут для компьютеров, на которых не планируется работа с тяжелыми файлами. А NVMe лучше выбрать тем, кто увлекается играми, занимается дизайном и монтажом видео.

5. Офисным компьютерам подойдет SSD скоростью порядка 500 МБ/сек. Домашнему и игровому ПК нужен накопитель скоростью до 5 ГБ/сек.

Правильно подобрать SSD и другие комплектующие поможет знание характеристик компьютера. Недавно мы писали о том, как узнать характеристики компьютера:

Читать на ЦО.РФ

Как посмотреть характеристики ПК Все способы узнать системные параметры компьютера

Знание основных методов просмотра характеристик компьютера позволит вам лучше понять ваше устройство и эффективнее решать технические задачи, связанные с ним. Ниже вы узнаете, как и где узнать характеристики ПК на всех версиях Windows, Mac, Linux

Заключение

Твердотельный накопитель записывает данные на микросхемы, накапливающие электрический заряд. Во время записи или чтения контроллер этих устройств отправляет электрический заряд на ячейки чипов флеш-памяти. Там заряд принимает форму миллионов битов.

Свойства SSD делают его хорошим решением для хранения системных данных, размещения хостинга, игр или различных видов профессиональной деятельности.

Твердотельные накопители различаются по логическому и физическому интерфейсам, форм-фактору, емкости, сроку службы, скорости чтения и записи. Для нужд операционной системы подойдут диски небольшой емкости. Офисному ПК подойдет не самый быстрый диск с относительно небольшим сроком службы. А желающим собрать игровой ПК лучше не экономить на этих параметрах. SSD форм-фактора 2,5 дюйма подойдут и для ноутбуков, и для стационарных компьютеров. Но владельцам портативным моделям ПК лучше обратить внимание на форм-факторы M.2 и mSATA.

Вам будет интересна наша статья о чипсете материнской платы:

Использованные источники: нейросеть Kandinsky, Unsplash, Erik Werlin, Andrey Matveev, Samsung Memory